Warum produzierte der Urknall keine schwereren Elemente?

Kurz nach dem Urknall kühlten sich die Temperaturen von der Planck-Temperatur ab. Sobald die Temperaturen auf 116 Gigakelvin gesunken waren, fand eine Nukleosynthese statt und es wurden Helium-, Lithium- und Spurenmengen anderer Elemente erzeugt.

Wenn die Temperaturen jedoch kurz nach dem Urknall so hoch waren, warum wurden dann nicht viel schwerere Elemente produziert? 116 Gigakelvin liegen offensichtlich weit über der Temperatur, die zum Schmelzen von Elementen wie Kohlenstoff und Sauerstoff erforderlich ist. Sollten die meisten Protonen bei diesen Temperaturen nicht fusioniert sein und das Universum mit größtenteils schwereren Elementen belassen?

Ich denke, Ihr Denkprozess ist dahingehend fehlerhaft, dass Sie davon ausgehen, dass Sie durch eine drastische Erhöhung der Temperatur garantiert schwere Elemente erhalten. So seltsam dies auch klingen mag, dies ist aus einigen Gründen (insbesondere während der Urknall-Nucleosynthese (BBN)) nicht der Fall. In der Tat, wenn Sie einen Stern nur mit Wasserstoff nehmen und ihn zur Supernova machen würden, würden Sie keine schweren Elemente bekommen, wie Sie sie in aktuellen Sternen sehen, die zur Supernova werden.

BBN-Zeitskala

Ein wichtiger Punkt ist, dass die BBN-Ära nur ~ 20 Minuten lang sein soll. Das ist nicht wirklich viel Zeit, um Elemente zu formen. Klar, Supernovae passieren blitzschnell, aber da sind noch andere Dinge im Gange, auf die ich gleich eingehen werde. Das Wichtigste dabei ist, dass das Verschmelzen Zeit benötigt und 20 Minuten nicht so viel Zeit sind, um schwere Elemente zu formen.

Deuterium

Um schwere Elemente zu erhalten, müssen Sie diese aufbauen. Man kann nicht einfach 50 Protonen und 50 Neutronen zusammenschlagen und Zinn erhalten. Der erste Schritt ist also, ein Proton und ein Neutron zu zerschlagen, um Deuterium zu erhalten, aber hier stößt man bereits auf ein Problem, das als Deuterium-Engpass bekannt ist. Wie sich herausstellt, behindern die enormen Temperaturen die Bildung von Deuterium. Dies liegt hauptsächlich daran, dass das Deuteron am Ende so viel Energie hat, dass es in der Lage ist, die Bindungsenergie zu überwinden (und Deuterium hat eine ziemlich niedrige Bindungsenergie, da es nur zwei Nukleonen hat) und wahrscheinlich wieder zerbricht. Angesichts der Dichte und der Temperatur kann man natürlich einfach durch Willenskraft immer noch eine gute Menge Deuterium erhalten, aber nicht so viel und nicht so schnell, wie man es sonst erwarten würde. Ein weiterer Punkt, bei dem Deuterium seltener gebildet wird, als man es naiv erwarten würde, ist das Verhältnis von Protonen zu Neutronen vor BBN von etwa 7: 1, da das Proton günstiger zu erzeugen ist, da es eine etwas geringere Masse aufweist. Also hatten 6 von 7 Protonen kein entsprechendes Neutron zum Kombinieren und mussten warten, bis sich Deuterium gebildet hatte, bevor es sich mit irgendetwas kombinieren konnte.

Tritium, Helium, Lithium, oh mein!

$^3\mathrm{He}$$^3\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$

Nach Bor und darüber hinaus

Aber jetzt stoßen Sie wieder auf einen Engpass, der schwerwiegender ist als der Deuterium-Engpass. Mit dem, was Sie zur Hand haben, können Sie nicht einfach zu schwereren Elementen springen. Die nächste Fusionskette und die Art und Weise, wie Sterne es tun, ist der Triple-Alpha-Prozess, der dazu beiträgt, Kohlenstoff zu bilden, aber um diese Kette auszuführen und genügend Kohlenstoff aufzubauen, braucht man viel Zeit. Und wir haben nur 20 Minuten! Es ist einfach keine Zeit, den Kohlenstoff zu bilden, den wir brauchen, um im Fusionszyklus voranzukommen. Wie ich zu Beginn angedeutet habe, würden reine Wasserstoffsterne aus diesem Grund auch keine schweren Elemente auf der Supernova produzieren. Sie sind jetzt in der Lage, schwere Elemente zu produzieren, da sie vor ihrem SN-Ereignis Milliarden von Jahren Zeit hatten, um eine Grundmenge an Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff usw. aufzubauen, die den Prozess der Fusion schwerer Elemente unterstützen kann.

$\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$$^{112}\mathrm{Sn}$(das ist Zinn mit 62 Neutronen), ist ziemlich klein. Außerdem können Sie nicht einmal versuchen, Kohlenstoff zu überspringen, indem Sie ihn etwas schwerer machen, oder etwas zwischen Lithium und Kohlenstoff bilden. Dies ist wiederum auf Stabilitätsprobleme zurückzuführen. Ohne andere Optionen müssen Sie also nach Lithium auf Kohlenstoff schießen, und wie oben angegeben, haben Sie einfach keine Zeit dafür.

TL; DR

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