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Inicio/Astronomía y el cielo/Nucleosíntesis primordial

Nucleosíntesis primordial

Abundancias de H, ⁴He, D, ³He y ⁷Li frente a la temperatura: congelamiento de la interacción débil, cuello de botella del deuterio, Y_p ≈ 0,245.

Parámetros del BBN

6.1
3.046

Atajos de teclado

  • •Mueva η₁₀ y vea cómo cae la abundancia residual de D al añadir bariones

Magnitudes medidas

Y_p (He-4 mass)0.2486
D / H2.532×10⁻⁵
³He / H1.040×10⁻⁵
⁷Li / H1.86×10⁻¹⁰
(n/p)_freeze ≈ exp(−Q/T_F)0.199
(n/p) at BBN onset0.150
Y_p from 2(n/p)/(1+n/p)0.261
Ω_b h² (from η₁₀)0.0224

Sobre el modelo

Nucleosíntesis primordial: curvas de abundancia de H, ⁴He, D, ³He y ⁷Li frente al tiempo cósmico y a la temperatura. El congelamiento de la interacción débil fija la razón n/p; sigue una ventana de decaimiento de neutrones; el cuello de botella del deuterio retrasa la síntesis hasta que T es lo bastante baja para que el D sobreviva a la fotodisociación; después el ⁴He encierra la mayor parte de los neutrones a Y_p ≈ 0,245. Los controles η₁₀ (razón bariones/fotones ×10¹⁰) y N_eff (número efectivo de especies de neutrinos) desplazan las curvas de aula; se superponen bandas observadas. La red es incompleta: no hay un cálculo nuclear completo por Monte Carlo ni la quema estelar de núcleos ligeros. Al cambiar η₁₀ y N_eff se ve la respuesta del helio y del deuterio — la sonda clásica de la expansión del universo temprano y de la densidad bariónica.

Para quién: Cosmología y astrofísica nuclear de facultad: abundancias de la nucleosíntesis primordial.

Conceptos clave

  • nucleosíntesis primordial
  • fracción de masa de helio
  • cuello de botella del deuterio
  • razón bariones-fotones
  • N_eff
  • congelamiento de la interacción débil

Cómo funciona

La nucleosíntesis primordial ocurre en los primeros minutos: el congelamiento de la interacción débil fija n/p, luego el decaimiento de neutrones, luego el cuello de botella del deuterio — la síntesis espera a que los fotones dejen de destruir D. Casi todos los neutrones quedan encerrados en ⁴He a Y_p ≈ 0,245. Los controles η₁₀ y N_eff desplazan las curvas de H, ⁴He, D, ³He y ⁷Li; en la gráfica, abundancias de aula y bandas observadas. La red de reacciones está simplificada.

Fórmulas principales

T(t) = (1.32 s·MeV²)^{1/2} / √t (radiation era)
(n/p)_eq = exp(−Q/T), Q = m_n − m_p = 1.293 MeV
Y_p ≈ 2(n/p) / (1 + n/p) at BBN onset
D/H ∝ η₁₀^{−1.6}, ³He/H ∝ η₁₀^{−0.6}, ⁷Li/H : U-shape vs η

Preguntas frecuentes

¿Qué es la nucleosíntesis primordial?
Es la síntesis de núcleos ligeros en los primeros minutos tras el Big Bang: casi todo el ⁴He cósmico y trazas de D, ³He y ⁷Li. La interacción débil fija primero n/p; luego el cuello de botella del deuterio abre la cadena hacia el helio. Las estrellas cambian después la metalicidad, pero la fracción principal de helio es un relicto de esos minutos.
¿Por qué la mayor parte del helio ya queda fijada en los primeros minutos?
En cuanto se forma deuterio pasado el cuello de botella, casi todos los neutrones disponibles se reúnen enseguida en ⁴He. Eso da Y_p ≈ 0,25, con poca dependencia de la reelaboración estelar posterior. Las estrellas hacen más metales y algo de helio, pero la fracción cósmica principal de ⁴He es un relicto del Big Bang.
¿Cómo influye la razón bariones-fotones en el deuterio?
A mayor densidad bariónica el deuterio se quema con más eficacia hacia núcleos más pesados, así que el D residual cae con fuerza al subir η₁₀. El helio Y_p crece solo un poco. Por eso el D/H primordial medido es un indicador agudo de la densidad bariónica. El error es creer que todos los elementos ligeros escalan igual con η.
¿Cómo cambia N_eff las curvas de abundancia?
Radiación de más acelera la expansión temprana, congela un n/p más alto y suele subir Y_p. El control N_eff muestra esa palanca de la velocidad de expansión junto a η₁₀. La física completa del desacople de neutrinos está simplificada; las curvas son tendencias de aula con las observaciones marcadas.