Первинний нуклеосинтез — початкова стадія нуклеосинтезу. Він відбувся у перші три хвилини після Великого вибуху.
Впродовж цієї стадії утворилися легкі елементи — протій ≈77%, гелій-4 (≈23 %), гелій-3 (3×10-4 %), дейтерій (5×10-5 %) та літій-7 (5×10-10 %).
Умови й розвиток. Основні реакції.
При температурах, що відповідають тепловій кінетичній енергії ядра не могли існувати, тому що вони ефективно руйнувалися при зіткненнях із фотонами, електронами та позитронами. Речовина складалась із протонів та нейтронів. Впродовж розширення та охолодження Всесвіту (
), концентрація нейтронів спадала відповідно до розподілу Больцмана у рівноважному газі:
,
де — різниця мас спокою нейтрона та протона.
Рівновага підтримувалася реакціями слабкої взаємодії. Якби термодинамічна рівновага підтримувалася по мірі охолодження й надалі, то очевидно, концентрація нейтронів експоненційно прямувала б до нуля, і ні про який нуклеосинтез не було б і мови. Однак охолодження призводить до порушення рівноваги так, що при температурі відношення концентрацій "зупиняється" на значенні 0,19. Це дає змогу для перебігу першої реакції нуклеосинтезу:
, при цьому енергії та концентрації фотонів вже не достатньо для руйнування ядер дейтерію. Відбувається накопичення ядер, та перебіг подальших реакцій:
Далі реакції не йдуть, тому що в природі немає стійких хімічних елементів з атомною масою 5, а концентрація ядер гелію занадто низька, щоб могли ефективно перебігати реакції горіння гелію з утворенням берилію-7 та вуглецю-12. Ця обставина є принциповою у порівнянні первинного нуклеосинтезу з нуклеосинтезом у зорях. Епоха первинного нуклеосинтезу завершилася через .
Відносний склад первинної речовини
Найважливіший параметр розрахунків відносного змісту первинних елементів -- питома ентропія на 1 баріон, яка не змінюється в ході розширення. Ця величина також може бути виражена в показниках щільності баріонів (
-- (фізична баріонна густина)). Таким чином, теоретично визначається хімічний склад первинної (дозоряної) речовини за кількістю атомів. Числа, що зазначені на початку, добре співвідносяться з сучасними розрахунками за спектрами далеких квазарів.
Цікаво, що спостереження первинного хімічного складу накладають незалежні обмеження на частку баріонної речовини у Всесвіті:
Спостереження речовини, що світиться в галактиках, дає оцінку . Звідси випливає важливий висновок: у Всесвіті має існувати невидима баріонна речовина, маса якої в десятки разів перевищує масу тієї речовини, що світиться (тобто, випромінює електромагнітні хвилі). Із незалежних міркувань (зростання збурень, формування великомасштабної структури Всесвіту) роблять висновок про необхідність існування ще й небаріонної прихованої маси. Незалежні свідоцтва існування значної частки небаріонної прихованої маси (
) випливають зі спостереження кривих обертання спіральних галактик, рентгенівського випромінювання газу в скупченнях галактик, гравітаційного лінзування на скупченнях галактик, з аналізу динаміки галактик у групах і скупченнях та ін.
![image](https://www.wikidata.uk-ua.nina.az/image/aHR0cHM6Ly93d3cud2lraWRhdGEudWstdWEubmluYS5hei9pbWFnZS9hSFIwY0hNNkx5OTFjR3h2WVdRdWQybHJhVzFsWkdsaExtOXlaeTkzYVd0cGNHVmthV0V2WTI5dGJXOXVjeTkwYUhWdFlpOWhMMkZqTDBOaGJHTjFiR0YwYVc5dVgyOW1YMk5vWlcxcFkyRnNYMk52YlhCdmMybDBhVzl1WDNCeWFXMWhjbmxmYm5WamJHVnZjM2x1ZEdobGMybHpMbWRwWmk4ek1EZHdlQzFEWVd4amRXeGhkR2x2Ymw5dlpsOWphR1Z0YVdOaGJGOWpiMjF3YjNOcGRHbHZibDl3Y21sdFlYSjVYMjUxWTJ4bGIzTjViblJvWlhOcGN5NW5hV1k9LmdpZg==.gif)
Первинний нуклеосинтез і нейтрино
На пост-інфляційній стадії розширення Всесвіту зв'язок температури первинної речовини з часом від початку розширення ( ) випливає з формули залежності загальної густини матерії від часу :
де, — безрозмірна величина, що характеризує співвідношення концентрації частинок до концентрації фотонів (так, для рівноважних
відповідає
). Тобто, з аналізу первинного хімічного складу можна вивести обмеження на число сортів слабо взаємодіючих частинок. Цей метод вперше був запропонований радянським астрофізиком В.Ф.Шварцманом в 1969 р. У 1999 р. з експериментально знайденого значення частки первинного гелію
було знайдено обмеження на число сортів легких нейтрино
, верхня межа 3-
:
, що цілком відповідає сучасним результатам з прискорювача LEP (ЦЕРН)[]:
.
Згідно сучасної теорії елементарних частинок, нейтрино можуть мати масу спокою. Дані з нейтринного детектору Супер-Камиоканде свідчать про осциляції різних сортів нейтрино, що може відбуватися лише за ненульової маси спокою. Виміряне значення квадрату різниці мас . Цікаво, що при масі спокою принаймні
внесок нейтрино в загальну густину у Всесвіті є порівняним із внеском баріонів видимої речовини в зорях та туманностях.
Джерела
- Шварцман, Вікторій (00/1969). Density of relict particles with zero rest mass in the universe (english) . JETP Lett., Vol. 9, p. 184 - 186.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Pervinnij nukleosintez pochatkova stadiya nukleosintezu Vin vidbuvsya u pershi tri hvilini pislya Velikogo vibuhu Vprodovzh ciyeyi stadiyi utvorilisya legki elementi protij 77 gelij 4 23 gelij 3 3 10 4 dejterij 5 10 5 ta litij 7 5 10 10 Umovi j rozvitok Osnovni reakciyi Pri temperaturah sho vidpovidayut teplovij kinetichnij energiyi T f gt 1 M e B displaystyle T f gt 1MeB yadra ne mogli isnuvati tomu sho voni efektivno rujnuvalisya pri zitknennyah iz fotonami elektronami ta pozitronami Rechovina skladalas iz protoniv ta nejtroniv Vprodovzh rozshirennya ta oholodzhennya Vsesvitu T f t 1 2 displaystyle T f thicksim t 1 2 koncentraciya nejtroniv spadala vidpovidno do rozpodilu Bolcmana u rivnovazhnomu gazi N n N p e x p D m c 2 k T displaystyle N n N p thicksim exp Delta mc 2 kT de D m c 2 m n m p c 2 1 38 M e B displaystyle Delta mc 2 m n m p c 2 1 38MeB riznicya mas spokoyu nejtrona ta protona Rivnovaga pidtrimuvalasya reakciyami slabkoyi vzayemodiyi Yakbi termodinamichna rivnovaga pidtrimuvalasya po miri oholodzhennya j nadali to ochevidno koncentraciya nejtroniv eksponencijno pryamuvala b do nulya i ni pro yakij nukleosintez ne bulo b i movi Odnak oholodzhennya prizvodit do porushennya rivnovagi tak sho pri temperaturi T f 0 7 M e B displaystyle T f approx 0 7MeB vidnoshennya koncentracij zupinyayetsya na znachenni 0 19 Ce daye zmogu dlya perebigu pershoyi reakciyi nukleosintezu n p D 1 2 g displaystyle ce n p gt 2 1 D gamma pri comu energiyi ta koncentraciyi fotoniv vzhe ne dostatno dlya rujnuvannya yader dejteriyu Vidbuvayetsya nakopichennya yader ta perebig podalshih reakcij D D T p displaystyle D D rightarrow T p D D 3 H e n displaystyle D D rightarrow 3 He n 3 H e n T p displaystyle 3 He n longleftrightarrow T p T D 4 H e n displaystyle T D rightarrow 4 He n Dali reakciyi ne jdut tomu sho v prirodi nemaye stijkih himichnih elementiv z atomnoyu masoyu 5 a koncentraciya yader geliyu zanadto nizka shob mogli efektivno perebigati reakciyi gorinnya geliyu z utvorennyam beriliyu 7 ta vuglecyu 12 Cya obstavina ye principovoyu u porivnyanni pervinnogo nukleosintezu z nukleosintezom u zoryah Epoha pervinnogo nukleosintezu zavershilasya cherez t 200 c displaystyle t approx 200c Vidnosnij sklad pervinnoyi rechoviniNajvazhlivishij parametr rozrahunkiv vidnosnogo zmistu pervinnih elementiv pitoma entropiya na 1 barion yaka ne zminyuyetsya v hodi rozshirennya Cya velichina takozh mozhe buti virazhena v pokaznikah shilnosti barioniv r b W b r c r W b h 2 displaystyle rho b Omega b rho cr propto Omega b h 2 W b h 2 displaystyle Omega b h 2 fizichna barionna gustina Takim chinom teoretichno viznachayetsya himichnij sklad pervinnoyi dozoryanoyi rechovini za kilkistyu atomiv Chisla sho zaznacheni na pochatku dobre spivvidnosyatsya z suchasnimi rozrahunkami za spektrami dalekih kvazariv Cikavo sho sposterezhennya pervinnogo himichnogo skladu nakladayut nezalezhni obmezhennya na chastku barionnoyi rechovini u Vsesviti 0 01 lt W b lt 0 15 displaystyle 0 01 lt Omega b lt 0 15 Sposterezhennya rechovini sho svititsya v galaktikah daye ocinku W b 0 005 displaystyle Omega b approx 0 005 Zvidsi viplivaye vazhlivij visnovok u Vsesviti maye isnuvati nevidima barionna rechovina masa yakoyi v desyatki raziv perevishuye masu tiyeyi rechovini sho svititsya tobto viprominyuye elektromagnitni hvili Iz nezalezhnih mirkuvan zrostannya zburen formuvannya velikomasshtabnoyi strukturi Vsesvitu roblyat visnovok pro neobhidnist isnuvannya she j nebarionnoyi prihovanoyi masi Nezalezhni svidoctva isnuvannya znachnoyi chastki nebarionnoyi prihovanoyi masi W D M 0 3 displaystyle Omega DM thicksim 0 3 viplivayut zi sposterezhennya krivih obertannya spiralnih galaktik rentgenivskogo viprominyuvannya gazu v skupchennyah galaktik gravitacijnogo linzuvannya na skupchennyah galaktik z analizu dinamiki galaktik u grupah i skupchennyah ta in Rozrahunok himichnogo skladu legkih elementiv v epohu pervinnogo nukleosintezu chislo atomiv po vidnoshennyu do atomiv vodnyu yak funkciya pitomoyi entropiyi na 1 barion 1 h displaystyle 1 eta abo gustini barioniv rechovini W b h 2 displaystyle Omega b h 2 verhnya shkala Vertikalna smuga vidpovidaye sposterezhennyami vmistu legkih elementiv za spektrami dalekih kvazariv Pervinnij nukleosintez i nejtrinoNa post inflyacijnij stadiyi rozshirennya Vsesvitu zv yazok temperaturi pervinnoyi rechovini z chasom vid pochatku rozshirennya t displaystyle t viplivaye z formuli zalezhnosti zagalnoyi gustini materiyi vid chasu r S 3 a r T 4 c 2 3 32 p G t 2 displaystyle rho Sigma xi frac a r T 4 c 2 frac 3 32 pi Gt 2 de 3 displaystyle xi bezrozmirna velichina sho harakterizuye spivvidnoshennya koncentraciyi chastinok do koncentraciyi fotoniv tak dlya rivnovazhnih g e e n e n e n m n m displaystyle gamma e e nu e tilde nu e nu mu tilde nu mu vidpovidaye 3 9 2 displaystyle xi 9 2 Tobto z analizu pervinnogo himichnogo skladu mozhna vivesti obmezhennya na chislo sortiv slabo vzayemodiyuchih chastinok Cej metod vpershe buv zaproponovanij radyanskim astrofizikom V F Shvarcmanom v 1969 r U 1999 r z eksperimentalno znajdenogo znachennya chastki pervinnogo geliyu Y 0 244 0 002 displaystyle Y 0 244 pm 0 002 bulo znajdeno obmezhennya na chislo sortiv legkih nejtrino 3 n 2 84 0 3 displaystyle xi nu 2 84 pm 0 3 verhnya mezha 3 s displaystyle sigma 3 n lt 3 2 displaystyle xi nu lt 3 2 sho cilkom vidpovidaye suchasnim rezultatam z priskoryuvacha LEP CERN dzherelo 3 n 3 07 0 24 displaystyle xi nu 3 07 pm 0 24 Zgidno suchasnoyi teoriyi elementarnih chastinok nejtrino mozhut mati masu spokoyu Dani z nejtrinnogo detektoru Super Kamiokande svidchat pro oscilyaciyi riznih sortiv nejtrino sho mozhe vidbuvatisya lishe za nenulovoyi masi spokoyu Vimiryane znachennya kvadratu riznici mas n m n t D m 2 2 2 10 3 e B 2 displaystyle nu mu longleftrightarrow nu tau Delta m 2 thicksim 2 2 cdot 10 3 eB 2 Cikavo sho pri masi spokoyu prinajmni m n 0 1 e B displaystyle m nu thicksim 0 1eB vnesok nejtrino v zagalnu gustinu u Vsesviti ye porivnyanim iz vneskom barioniv vidimoyi rechovini v zoryah ta tumannostyah DzherelaShvarcman Viktorij 00 1969 Density of relict particles with zero rest mass in the universe english JETP Lett Vol 9 p 184 186