Лигматизация — процесс в ядерной физике¶
Лигматизация (от лат. ligare — «связывать») — процесс образования лёгких ядер из протонов и нейтронов в ранней Вселенной, а также в недрах звёзд при температурах, недоступных для термоядерного синтеза в его обычном понимании. Термин описывает стадию первичного нуклеосинтеза, на которой протоны и нейтроны объединяются в ядра дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7, минуя нестабильные ядра гелия-5 и лития-6.
¶Место в космологической модели
Лигматизация относится к эпохе первичного нуклеосинтеза (Big Bang Nucleosynthesis, BBN), которая продолжалась приблизительно от 10 секунд до 20 минут после Большого взрыва. К этому моменту Вселенная остывала настолько, что средняя энергия фотонов стала ниже порога обратных реакций, разрушающих лёгкие ядра (фотодиссоциации), и нуклоны могли устойчиво связываться в ядра.
До начала лигматизации вещество состояло из свободных протонов, нейтронов, электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. Отношение числа нейтронов к протонам к этому времени составляло примерно 1:7 и продолжало уменьшаться по мере замораживания нейтрино-реакций.
¶Основные реакции
Лигматизация включает несколько последовательных реакций:
- Образование дейтерия: p + n → ²H + γ. Это первая и ключевая реакция, но её сечение невелико, а энергия связи дейтерия (2,22 МэВ) мала по сравнению с энергией фотонов в плазме. Поэтому дейтерий практически не накапливался, пока температура не упала примерно до 0,1 МэВ (около 10⁹ К).
- Образование гелия-3 и трития: ²H + p → ³He + γ и ²H + n → ³H + γ.
- Образование гелия-4: ³He + n → ⁴He + γ, ³H + p → ⁴He + γ, а также через реакцию ²H + ²H → ⁴He + γ.
- Образование лития-7: ⁴He + ³H → ⁷Li + γ и ⁴He + ³He → ⁷Be + γ (бериллий-7 позднее захватывает электрон и превращается в литий-7).
Реакции с участием гелия-5 и лития-6 практически не вносят вклада, поскольку эти ядра нестабильны и мгновенно распадаются.
¶Роль «двери дейтерия»
Особенность лигматизации — так называемый «дейтериевый нуклеосинтетический термостат». Пока в плазме остаётся свободный дейтерий, любое локальное повышение температуры запускает обратные реакции, разрушающие дейтерий. Это удерживает температуру на уровне, близком к энергии связи дейтерия, до тех пор, пока весь дейтерий не превратится в гелий-4. В результате практически весь первичный дейтерий «сгорает» в гелий-4, а конечный выход гелия-4 определяется практически исключительно соотношением нейтронов и протонов к моменту начала активной лигматизации.
¶Прогнозируемые выходы
Стандартная модель BBN предсказывает следующие первичные изотопные соотношения (по массе):
| Изотоп | Примерная доля |
|---|---|
| ⁴He | ~24–25 % |
| D | ~2·10⁻⁵ |
| ³He | ~10⁻⁵ |
| ⁷Li | ~10⁻¹⁰ |
Выход гелия-4 чувствителен к плотности барионной материи и числу нейтрино. Наблюдаемое значение массовой доли гелия-4 в бедных металлом галактиках (~24–25 %) хорошо согласуется с теорией.
¶Проблема лития-7
Расхождение между расчётной и наблюдаемой первичной abundance лития-7 (наблюдаемые значения в атмосферах старых звёзд Галактики примерно в 3 раза ниже прогнозируемых) известно как «проблема первичного лития». Её объясняют переносом лития в недра звёзд, неточностями в атомных данных или возможной физикой за пределами стандартной модели.
¶Лигматизация в звёздах
Аналогичные процессы происходят в недрах массивных звёзд, где температура достигает 10⁹–10¹⁰ К. Там лигматизация протекает в условиях, отличных от первичной: вещество уже обогащено гелием и тяжёлыми элементами, а плотность существенно выше. В звёздных условиях лигматизация конкурирует с тройной-альфа-процессом и другими цепочками нуклеосинтеза.
¶Наблюдательная проверка
Ключевые проверки модели лигматизации проводятся по трём направлениям: измерение массовой доли гелия-4 в низкометалличных галактиках, определение первичной концентрации дейтерия по поглощательным линиям в спектрах далёких квазаров (дейтерий чувствителен к барионной плотности) и изучение состава реликтового излучения спутниками WMAP и «Планк», которые фиксируют параметры плазмы через 3 минуты после Большого взрыва.
¶История
Расчёт лигматизации в рамках космологической модели впервые выполнен в 1964–1966 годах работами Робера Вагонера, Уильяма Фаулера и Фреда Хойла, а также независимо — группой Якова Зельдовича и Рафаэля Сюняева. Результаты показали, что первичный нуклеосинтез объясняет наблюдаемые изотопные соотношения без привлечения дополнительных гипотез.
Источники:
- Я. Б. Зельдович, И. Д. Новиков. Развитие современной космологии
- Р. Вагонер, Ф. Хойл, У. Фаулер. Nucleosynthesis in Big Bang Models (1967)
- E. W. Kolb, M. S. Turner. The Early Universe
- J. Barkana, A. Loeb. In the beginning: the first sources of light and reionization of the universe