なぜビッグバンはより重い元素を生産しなかったのですか？

ビッグバンの直後、気温はプランク温度から冷えました。温度が116ギガケルビンに下がると、元素合成が起こり、ヘリウム、リチウム、その他の微量元素が生成されました。

しかし、ビッグバンの直後に気温が非常に高かった場合、なぜより重い元素が生成されなかったのでしょうか？116ギガケルビンは明らかに、炭素や酸素などの元素が融合するのに必要な温度をはるかに上回っています。さらに、これらの温度の陽子の大部分が融合して、宇宙のほとんどがより重い元素のままになるべきではないでしょうか？

温度を大幅に上げることで、重い元素が確実に得られると想定しているため、思考プロセスに欠陥があると思います。これは奇妙に聞こえるかもしれませんが、いくつかの理由でそうではありません（特にビッグバン合成（BBN）の場合）。実際、水素のみの星を取得して超新星にした場合、現在の星に見られるような超新星になるような重い元素は得られません。

BBNタイムスケール

考慮すべき重要な点の1つは、BBN時代の長さはわずか20分と計算されることです。それは要素を形成するのに本当に多くの時間ではありません。確かに、超新星は瞬時に発生しますが、そこには他にも何かが起こっています。これについてはすぐに説明します。ここでの主なポイントは、融合には時間がかかり、20分は重い要素を形成するのにそれほど時間がないということです。

重水素

重い要素を取得するには、それらを構築する必要があります。50個の陽子と50個の中性子を一緒に粉砕してスズを取得することはできません。そのため、最初のステップは陽子と中性子を一緒に粉砕して重水素を取得することですが、ここではすでに重水素ボトルネックとして知られる問題に直面しています。判明したように、実際には（そして幾分反直感的に）巨大な温度が重水素の生成を妨げています。これは主に、重陽子が非常に多くのエネルギーを持っているため、結合エネルギーを克服することができ（そして重水素は結合エネルギーが非常に低く、その核はたった2個の核子である）、再び分裂する可能性が高いためです。もちろん、密度と温度を考えると、単純に意志の力で十分な量の重水素を得ることができますが、それほど多くはなく、そうでなければ期待する速度ではありません。重水素の生成頻度が少なくなるもう1つのポイントは、BBNの前の陽子と中性子の比が約7：1であったことです。これは、質量がわずかに小さいため、陽子の作成がより好ましいためです。そのため、7個の陽子のうち6個には対応する中性子がなく、重水素が最初に形成されるのを待ってから何かと結合する必要がありました。

トリチウム、ヘリウム、リチウム、オーマイ！

重水素は、スープ内の次のすべての粒子を形成するための触媒です。ここからは、取得するために、様々な他のものと一緒にそれらを投げることができる3 HのE、3 H、および4 のH Eを。十分な量の重水素、トリチウム、ヘリウムの同位体が浮かんできたら、リチウムの製造を開始できます。運がよければ、ベリリウムを少し運べます。$^3\mathrm{He}$$^3\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$

ボロンとその先へ

しかし、今、あなたは再びボトルネックに出くわし、重水素ボトルネックよりも深刻なものになります。手持ちのものを使って、より重い要素に簡単にジャンプすることはできません。次の融合チェーンと星のやり方は、炭素を形成するのに役立つトリプルアルファプロセスですが、このチェーンを実行し、多くの時間を必要とする十分な炭素を構築します。そして、わずか20分です！核融合サイクルに沿って前進するために必要な炭素を形成する時間はありません。私が最初にほのめかしたように、純粋な水素星もこの理由で超新星に重い元素を生成しません。SNイベントの数十億年前に、重元素の核融合プロセスに役立つ基本量の炭素、窒素、酸素などを蓄積してきたため、重元素を生産できるようになりました。

$\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$$^{112}\mathrm{Sn}$（62個の中性子がある錫）、かなり小さいです。さらに、少し重いものを作ることによって炭素をスキップしたり、リチウムと炭素の間に何かを形成したりすることもできません。繰り返しますが、これは安定性の問題によるものです。そのため、他のオプションがない場合、リチウムの後に炭素を撃つ必要があり、上記のように、そのための時間がありません。

TL; DR

$^1\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$$^2\mathrm{H}$$^3\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$