Согласно современным представлениям, Вселенная начала своё существование из чрезвычайно плотного и горячего состояния. Эта картина основывается на ряде наблюдательных данных, включая красное смещение галактик, космический микроволновой фон (КМФ) и соотношения лёгких элементов. Большой взрыв не был “взрывом” в привычном смысле, а скорее началом расширения пространства-времени, в котором вся материя и энергия были сосредоточены в компактной области.
Расширение Вселенной подчиняется уравнениям Фридмана, выведенным из общей теории относительности. Температура и плотность вещества стремительно уменьшались по мере расширения, определяя возможные физические процессы, включая рождение и аннигиляцию частиц, переходы между фазами и, в частности, процессы нуклеосинтеза.
Первичный нуклеосинтез (Big Bang Nucleosynthesis, BBN) охватывает период времени от примерно одной секунды до нескольких сотен секунд после начала расширения Вселенной. В это время температура падала от порядка 10⁹ К до 10⁷ К, создавая условия для протекания ядерных реакций между лёгкими элементарными частицами — протонами, нейтронами, дейтронами, и т. д.
Установление отношения нейтронов к протонам При высоких температурах (T > 1 МэВ) нейтроны и протоны быстро переходили друг в друга за счёт слабого взаимодействия:
n + νe ↔︎ p + e−, n + e+ ↔︎ p + ν̄e
После достижения температуры около 0.8 МэВ, эти реакции “замерзают”, и отношение n/p ≈ 1/6. Нейтроны нестабильны и распадаются с периодом полураспада около 880 с, что также влияет на финальную долю нейтронов к моменту начала синтеза.
Образование дейтрона и “бутылочное горлышко” При температуре выше ~0.1 МэВ (T > 10⁹ K) фотодиссоциация мешала устойчивому формированию ядер дейтерия:
p + n ↔︎ D + γ
Как только температура упала ниже ~0.1 МэВ, началось накопление дейтрона, открыв путь к дальнейшим реакциям.
Синтез ядер гелия и других лёгких элементов Дейтерий вступал в реакции:
D + p → 3He + γ, D + D → 3He + n или 3H + p
3He + D → 4He + p, 3H + D → 4He + n
Образование гелия-4 (⁴He) было наиболее эффективным из-за его высокой стабильности. Более тяжёлые элементы, начиная с лития, образовывались в гораздо меньших количествах из-за отсутствия устойчивых ядер с массами 5 и 8, что создаёт разрыв в возможных путях нуклеосинтеза.
Согласно модели BBN и при известных параметрах космологии (в частности, барионной плотности), предсказываются следующие массовые доли:
Согласие теоретических предсказаний с наблюдаемыми abundances лёгких элементов — одно из главных подтверждений модели горячей Вселенной. Измерения проводятся по спектрам звёзд малой металличности, интергалактических облаков, ионизированных газов в далёких галактиках.
Скорость расширения Вселенной в эпоху BBN напрямую связана с числом релятивистских степеней свободы. Введение новых частиц — таких как стерильные нейтрино или лёгкие скалярные бозоны — может ускорить расширение, что приведёт к более раннему замораживанию слабых взаимодействий и увеличению доли нейтронов, а значит, и большей продукции гелия-4. Это позволяет использовать BBN в качестве космологического “термометра” и “частицеметра”.
Также барионная плотность — выражаемая через параметр η = nb/nγ — влияет на выход дейтерия и лития. Независимое определение η из КМФ (например, из данных WMAP и Planck) согласуется с тем, что требует теория BBN, что демонстрирует высокую степень внутренней согласованности космологических моделей.
Несмотря на успехи модели, существуют нерешённые вопросы. Главный из них — упомянутая литиевая проблема: наблюдаемое количество лития-7 в старых звёздах в 2–3 раза ниже теоретического предсказания. Возможные объяснения включают астрофизические процессы (например, разрушение лития в звёздных атмосферах), ошибки наблюдений, или необходимость модификации физики (неизвестные распады, нестандартные взаимодействия, асимметрия лептонов и др.).
Продолжаются попытки уточнить модели, использовать более точные ядерные сечения, учитывать возможные вариации фундаментальных констант, а также расширенные сценарии нуклеосинтеза, включая неравновесные процессы и влияние магнитных полей.
Первичный нуклеосинтез устанавливает начальные условия для химической эволюции Вселенной. Продукты BBN служат «сырьём» для звёздного и галактического нуклеосинтеза. Кроме того, BBN представляет собой уникальную лабораторию ранней Вселенной, где с помощью микрофизики можно получить информацию о макроскопических параметрах космоса на стадиях, недоступных прямым наблюдениям.
Согласование теории и наблюдений в рамках нуклеосинтеза остаётся одним из ключевых аргументов в пользу модели горячего Большого взрыва и одним из столпов современной физики элементарных частиц и космологии.