大爆炸核合成

1. 基本定义与时间窗口：大爆炸核合成是宇宙早期发生的一系列核反应过程。它发生在宇宙诞生后大约1秒到20分钟这段时间内。此时，宇宙的温度和密度已从“暴胀”结束后的极端状态下降，但仍高到足以允许原子核发生聚变，但又低到足以让中子和质子（合称核子）从最初的自由状态开始结合成稳定的原子核。这个过程决定了宇宙中除氢以外最轻元素（主要是氦，以及少量的氘、氦-3、锂-7）的原始丰度。

2. 初始条件：中子与质子的“冻结”：在宇宙年龄约1秒、温度约100亿开尔文时，一个关键事件发生。在此之前，极高能量的光子（伽马射线）能够将任何试图结合的中子-质子对打散，并通过弱相互作用（例如，中子的β衰变）使中子和质子相互转换，维持着一种热平衡。随着宇宙膨胀降温，弱相互作用的速度跟不上宇宙膨胀的速度，这个过程“脱耦”了。中子与质子间的相互转换停止，它们的数量比被“冻结”在一个固定值。这个比值强烈依赖于当时中微子的种类数量等物理参数，冻结时中子与质子的数量比约为1:7。

3. 核反应的舞台：轻原子核的组装：当温度降至约10亿开尔文（宇宙年龄约3分钟）时，高能光子的能量已不足以轻易破坏新形成的原子核，核合成真正开始。质子（氢原子核）和中子开始通过一系列两体聚变反应进行组装：

   • 首先，一个质子和一个中子结合形成氘（重氢）原子核。
   • 氘核相对松散，是进一步反应的“垫脚石”。氘核可以快速捕获另一个质子或中子，形成氦-3或氚（氢-3）。
   • 氦-3和氚之间，或两个氦-3之间，可以进一步聚变，最终生成非常稳定的氦-4原子核。
   • 由于没有质量数为5或8的稳定原子核，这条反应链在生成氦-4后基本停止。只有极微量的聚变能够“跳过”这个质量缺口，生成微乎其微的锂-7和铍-7（衰变为锂-7）。

4. 核合成的结束与主要产物：约20分钟后，宇宙的密度和温度因膨胀而下降到核反应无法继续进行的程度，大爆炸核合成过程终止。其主要结果是：

   • 氦-4：这是最主要的合成产物。由于几乎所有的中子最终都被结合进了氦-4（每个氦-4含2个中子和2个质子），其质量丰度直接由初始中子/质子比决定，约为宇宙中重子物质总质量的25%。
   • 氘、氦-3、锂-7：这些是“未燃尽”的中间产物或次要产物，总丰度很低（氘和氦-3约在10^-5量级，锂-7约在10^-10量级），但它们对物理条件极其敏感。

5. 关键科学意义：对标准宇宙学的强有力检验：BBN的预测与观测对比，是现代宇宙学的三大支柱检验之一（另两个是宇宙微波背景辐射和宇宙大尺度结构）。

   • 参数限制：理论计算的轻元素丰度强烈依赖于一个关键宇宙学参数：重子-光子数比。将观测到的原始丰度（如在古老星体、星际云中测得的氘丰度）与理论计算值拟合，可以精确确定这个比值。此结果与后来由宇宙微波背景辐射观测独立测定的值高度一致，强有力地支持了标准宇宙学模型。
   • 中微子种类：BBN对宇宙中微子种类数敏感。观测与理论的一致，曾为“存在三种中微子”提供了早期宇宙学证据，后来被粒子物理实验直接证实。
   • “锂问题”：观测到的最古老恒星中的锂-7丰度，显著低于标准BBN理论的预测值。这个长期存在的差异（“宇宙学锂丰度问题”）可能暗示着新物理，如粒子物理模型超出标准模型，或对恒星内部锂消耗机制的理解不完整，是目前前沿研究的一个课题。