Nucleosíntesis del Big Bang

El modelado de los inicios del universo por el modelo estándar del big bang, da un escenario que involucra a doce interacciones nucleares, que condujeron a la abundancia de los elementos cósmicos presentes fuera de las estrellas. La gran mayoría de la masa de la materia ordinaria en el universo es hidrógeno y helio, que permanecen desde las etapas tempranas del universo. La ilustración anterior muestra las abundancias nominales de los componentes actuales. Estas abundancias dependen del modelo y están sujetas a revisión.

El berilio-7 es un isótopo que se produce en este proceso, pero no es una parte de las abundancias cósmicas porque es radiactivo con semi vida de 53,28 días, decayendo en ⁷Li. Los neutrones no son parte de los elementos del fondo cósmico porque los neutrones libres decaen con una semi vida de 10,3 minutos. El otro constituyente de las reacciones es el tritio, ³H, que tiene una semi vida de 12,32 años.

Abundancia de Hidrógeno-Helio

El hidrógeno y el helio representan casi toda la materia nuclear en el universo actual. Esto es consistente con el modelo estándar o "big bang". El proceso de formación del hidrógeno, el helio y las trazas de otros elementos, se llama a menudo "nucleosíntesis del big bang". Las cifras de las abundancias relativas de Schramm indican que el helio es aproximadamente 25% en masa y el hidrógeno aproximadamente el 73%, con todos los demás elementos constituyendo menos del 2%. Carroll & Ostlie dan de un 23 a un 24% de helio. Hay una ventana de incertidumbre, pero está claro que el hidrógeno y el helio constituyen mas del 98% de la materia ordinaria en el universo. Este alto porcentaje de helio se sostiene firmemente por el modelo del Big Bang, ya que otros modelos dan porcentajes muy pequeños de helio. Dado que no existe un proceso conocido que cambie significativamente esta relación H/He, se toma como la proporción que existía en el momento en que el deuterón se hizo estable en la expansión del universo. Esta relación es importante como una prueba de los modelos cosmológicos, ya que se vieron afectados en el periodo de tiempo que va desde el momento en que la temperatura cayó por debajo de la necesaria para producir los neutrones a partir de protones, hasta el momento en que el deuterón se hacía estable, deteniendo la desintegración de los neutrones libres.

Básicamente, la abundancia de hidrógeno-helio nos ayuda a modelar la velocidad de la expansión del universo primitivo. Si hubiera sido más rápido, habría más neutrones y más helio. Si hubiera sido más lento, más neutrones libres habrían decaído antes del punto de estabilidad del deuterio y habría menos helio.

El modelado de la producción de helio y la relación de hidrógeno-helio también hace predicciones sobre otras especies nucleares, particularmente el 7Li, el 2H(deuterio) y el 3He. Estas abundancias observadas simultáneamente se ajustan al modelo del Big Bang dentro de un estrecho rango. Las áreas sombreadas representan mediciones de regiones que tienen una abundancia muy pequeña de elementos pesados, de modo que parecen ser buenas muestras de abundancias primordiales. Además de ser una prueba sensible del modelo del big bang, la abundancia de helio también se correlaciona mejor con tres tipos de neutrinos, en lugar de dos o cuatro. La presencia de otra especie de neutrino, y por lo tanto otra ronda de leptones daría una mayor abundancia de helio en aproximadamente uno por ciento. La relación del número de bariones por fotón fue una de las contribuciones del descubrimiento de la radiación de fondo 3K. Estas mediciones permiten el cálculo de la densidad de energía de los fotones en el universo. El rango de las estimaciones de la densidad de bariones dio una relación de barión/fotón de alrededor de 10-9. Datos de Boesgaard, A. M. and Steigman, G., "Big Bang nucleasynthesis: Theories and Observations", Ann. Rev. Astron. and Astrophys. 23, 319 (1985).

Calcular el Hidrógeno-Helio

Se pueden calcular las temperaturas críticas que determinan la abundancia de hidrógeno-helio, con la suposición de que están impulsados por la energía interna de la expansión del universo.