Baryonendichte und BBN-Einschränkungen

Da die Ausbeuten der leichten Elemente des Urknalls von der Anzahl der vorhandenen Baryonen abhängen, misst die Nukleosynthese die kosmische Baryonendichte und schränkt die Physik in den ersten Sekunden des Universums ein.

Definition

Die Baryonendichte ist die mittlere Dichte der gewöhnlichen Materie im Universum, die konventionell durch das Baryon-zu-Photon-Verhältnis ausgedrückt wird; die Urknall-Nukleosynthese schränkt sie ein, da die vorhergesagten Häufigkeiten der leichten Elemente mit diesem Verhältnis variieren, und die Häufigkeiten begrenzen auch jede neue Physik, die die frühe Expansionsrate ändern würde.

Scope

Dieses Thema behandelt die Abhängigkeit der primären Häufigkeiten vom Baryon-zu-Photon-Verhältnis, die daraus resultierende Bestimmung der kosmischen Baryonendichte, die bemerkenswerte Übereinstimmung mit dem unabhängigen Wert aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund und die zusätzlichen Einschränkungen, die die Nukleosynthese für die Expansionsrate, die Anzahl der Neutrinospezies und andere Physik des frühen Universums auferlegt.

Core questions

• Wie misst die Nukleosynthese die kosmische Baryonendichte?
• Warum ist die Übereinstimmung mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund signifikant?
• Welche andere Physik schränkt die Nukleosynthese ein?

Key concepts

• Baryon-zu-Photon-Verhältnis
• Baryonendichteparameter
• Deuterium-Baryometer
• Effektive Neutrinoanzahl
• Expansionsraten-Einschränkung
• Übereinstimmung mit dem CMB

Key theories

Baryometer aus Häufigkeiten

Die primordiale Deuteriumhäufigkeit variiert stark mit dem Baryon-zu-Photon-Verhältnis, sodass ihre Messung die Baryonendichte präzise bestimmt, eine Bestimmung, die unabhängig vom kosmischen Mikrowellenhintergrund ist.

Einschränkungen für relativistische Spezies

Eine schnellere frühe Expansion, wie sie durch zusätzliche relativistische Spezies verursacht wird, würde mehr Neutronen hinterlassen und die Heliumhäufigkeit erhöhen, sodass das beobachtete Helium die effektive Anzahl von Neutrinospezies im frühen Universum begrenzt.

Mechanisms

Das Ausführen von Nukleosynthese-Codes über einen Bereich von Baryon-zu-Photon-Verhältnissen erzeugt vorhergesagte Häufigkeitskurven; der Abgleich des gemessenen Deuteriums und Heliums mit diesen Kurven liefert die Baryonendichte und begrenzt jede nicht-standardmäßige Expansion, da Änderungen der frühen Expansionsrate das Neutron-zu-Proton-Einfrieren und damit die Ausbeuten verändern.

Clinical relevance

Die Baryonendichte aus der Nukleosynthese stimmt mit dem aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund abgeleiteten Wert innerhalb der Unsicherheiten überein, eine Übereinstimmung, die das Standardmodell der Kosmologie stark bestätigt und zeigt, dass gewöhnliche Materie nur wenige Prozent des kosmischen Energiebudgets ausmacht, wobei der Rest dunkle Materie und dunkle Energie ist.

History

Schramm, Steigman und andere entwickelten in den 1970er und 1980er Jahren die Nukleosynthese als Baryometer und als Einschränkung für Neutrinospezies, wobei sie die Anzahl der leichten Neutrinofamilien vor Kolliderexperimenten berühmt begrenzten; spätere präzise Deuteriummessungen und die Planck-Ergebnisse des kosmischen Mikrowellenhintergrunds führten die beiden Baryonendichte-Bestimmungen zu einer engen Übereinstimmung.

Debates

Spannung und die Lithium-Anomalie

Während Deuterium und Helium gut mit der Baryonendichte des kosmischen Mikrowellenhintergrunds übereinstimmen, tut dies Lithium nicht, was eine Debatte darüber auslöst, ob die verbleibende Spannung auf neue Physik im frühen Universum oder ungelöste astrophysikalische und nukleare Systematiken hinweist.

Key figures

• Gary Steigman
• David Schramm
• Keith Olive
• Brian Fields

Seminal works

• cyburt2016

Frequently asked questions

Wie können uns die ersten Minuten des Universums sagen, wie viel gewöhnliche Materie existiert?

Die Menge an überlebendem Deuterium hängt stark davon ab, wie dicht die Baryonen gepackt waren, sodass die Messung des primordialen Deuteriums effektiv die Baryonen zählt und die kosmische Baryonendichte ergibt.

Warum ist die Übereinstimmung mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund wichtig?

Die Nukleosynthese untersucht das Universum nach einer Sekunde, während der kosmische Mikrowellenhintergrund es nach 380.000 Jahren untersucht; ihre beiden völlig unabhängigen Messungen der Baryonendichte stimmen überein, was eine starke Konsistenzprüfung für den gesamten Urknall-Rahmen darstellt.