¿Por qué el Big Bang no produjo elementos más pesados?

Poco después del Big Bang, las temperaturas se enfriaron de la temperatura de Planck. Una vez que las temperaturas bajaron a 116 gigakelvins, tuvo lugar la nucleosíntesis y se crearon helio, litio y trazas de otros elementos.

Sin embargo, si las temperaturas fueron tan altas poco después del Big Bang, ¿por qué no se produjeron elementos mucho más pesados? 116 gigakelvins está obviamente muy por encima de la temperatura requerida para que elementos como el carbono y el oxígeno se fusionen. Además, ¿no deberían haberse fundido la mayoría de los protones a esas temperaturas, dejando al Universo con elementos mayormente pesados?

Creo que su proceso de pensamiento es defectuoso, ya que asume que al aumentar drásticamente la temperatura, se garantiza que obtendrá elementos pesados. Por extraño que parezca, este no es el caso (especialmente durante la Big Bang Nucleosynthesis (BBN)) por algunas razones. De hecho, si tomas una estrella de solo hidrógeno y la conviertes en supernova, no obtendrás elementos pesados ​​como los que ves en las estrellas actuales que se convierten en supernova.

BBN Timescale

Un punto importante a tener en cuenta es que la era BBN se calcula que dura solo ~ 20 minutos. Eso no es realmente mucho tiempo para formar elementos. Claro, las supernovas ocurren en un instante, pero hay otras cosas que sucederán allí, a las que llegaré en un segundo. El punto principal aquí es que la fusión lleva tiempo y 20 minutos no es mucho tiempo para formar elementos pesados.

Deuterio

Para obtener elementos pesados, debes construirlos. No puedes simplemente juntar 50 protones y 50 neutrones y obtener estaño. Entonces, el primer paso es juntar un protón y un neutrón para obtener deuterio, pero aquí ya se encuentra con un problema conocido como el cuello de botella de deuterio. Como resultado, las enormes temperaturas en realidad (y algo contraintuitivamente) impiden la creación de deuterio. Esto se debe principalmente a que el deuterón terminará teniendo tanta energía que será capaz de superar la energía de unión (y el deuterio tiene una energía de unión bastante baja, ya que sus dos únicos nucleones) y probablemente se separará nuevamente. Por supuesto, dada la densidad y la temperatura, aún puede obtener una buena cantidad de deuterio simplemente por fuerza de voluntad, pero no tanto y no al ritmo que esperaría de lo contrario. Otro punto que hace que el deuterio se forme con menos frecuencia de lo que cabría esperar ingenuamente es que la relación protón a neutrón antes de BBN era de aproximadamente 7: 1 debido a que el protón es más favorable para ser creado ya que tiene una masa ligeramente más baja. Entonces, 6 de los 7 protones no tenían un neutrón correspondiente con el que combinar y tuvieron que esperar a que se formara el deuterio antes de poder combinarse con nada.

Tritio, Helio, Litio, ¡Dios mío!

El deuterio es entonces el catalizador para formar todas las siguientes etapas de partículas en su sopa. Desde aquí puede lanzarlos junto con varias otras cosas para obtener , y . Una vez que tenga una buena cantidad de isótopos de deuterio, tritio y helio flotando, puede comenzar a producir litio y, si tiene suerte, un poco de berilio.3 H 4 H $^3\mathrm{He}$$^3\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$

Al boro y más allá

Pero ahora, una vez más te encuentras con un cuello de botella, y uno más grave que el cuello de botella de deuterio. No puedes saltar fácilmente a elementos más pesados ​​con lo que tienes a mano. La siguiente cadena de fusión, y la forma en que lo hacen las estrellas, es el proceso de triple alfa que ayuda a formar carbono, pero para realizar esta cadena y generar suficiente carbono se necesita mucho tiempo. ¡Y solo tenemos 20 minutos! Simplemente no hay tiempo para formar el carbono que necesitamos para avanzar a lo largo del ciclo de fusión. Como indiqué al principio, las estrellas de hidrógeno puro tampoco producirían elementos pesados ​​en las supernovas por este motivo. Ahora pueden producir elementos pesados ​​porque han tenido miles de millones de años antes de su evento SN para acumular una cantidad base de carbono, nitrógeno, oxígeno, etc. que pueden ayudar en los procesos de fusión de elementos pesados.

Por lo tanto, no tiene tiempo para seguir el proceso triple alfa y producir carbono, ¿qué pasa con otros procesos? Seguramente las temperaturas son lo suficientemente altas como para que puedas hacer diferentes métodos de fusión que no se ven en las estrellas. Bueno no. Ni siquiera puedes juntar muchos o para obtener elementos realmente pesados ​​debido al hecho de que los núcleos pesados ​​solo son estables si tienen más neutrones que protones. Y ya dijimos que había una gran deficiencia de neutrones desde el principio, por lo que la posibilidad de que tengas suficientes neutrones dando vueltas para unirlos para obtener, digamosL i 112 S $\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$$^{112}\mathrm{Sn}$(eso es lata con 62 neutrones), es bastante pequeño. Además, ni siquiera puedes intentar saltarte el carbono haciendo algo un poco más pesado o formar algo intermedio entre el litio y el carbono. Nuevamente, esto se debe a problemas de estabilidad. Entonces, sin otras opciones, tienes que disparar para el carbono después del litio, y como se indicó anteriormente, simplemente no tienes tiempo para eso.

TL; DR

En general, BBN se limita a llegar solo al litio debido al tiempo limitado, las relaciones de abundancia de protones a neutrones y los cuellos de botella de fusión que ralentizan las cosas. Todos estos se unen para producir ~ 75% , ~ 25% , ~ 0.01% y , y pequeñas cantidades de .4 H e 2 H 3 H e L $^1\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$$^2\mathrm{H}$$^3\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$