Densité baryonique et contraintes de la nucléosynthèse primordiale

Étant donné que les rendements en éléments légers du Big Bang dépendent de la quantité de baryons présents, la nucléosynthèse permet de mesurer la densité baryonique cosmique et de contraindre la physique des premières secondes de l'univers.

Definition

La densité baryonique est la densité moyenne de matière ordinaire dans l'univers, conventionnellement exprimée par le rapport baryons-photons ; la nucléosynthèse primordiale la contraint car les abondances prédites d'éléments légers varient avec ce rapport, et ces abondances limitent également toute nouvelle physique qui modifierait le taux d'expansion précoce.

Scope

Ce sujet aborde la dépendance des abondances primordiales vis-à-vis du rapport baryons-photons, la détermination qui en découle de la densité baryonique cosmique, la concordance remarquable avec la valeur indépendante issue du fond diffus cosmologique, ainsi que les contraintes supplémentaires que la nucléosynthèse impose sur le taux d'expansion, le nombre d'espèces de neutrinos et d'autres aspects de la physique de l'univers primordial.

Core questions

• Comment la nucléosynthèse mesure-t-elle la densité baryonique cosmique ?
• Pourquoi la concordance avec le fond diffus cosmologique est-elle significative ?
• Quelles autres physiques la nucléosynthèse contraint-elle ?

Key concepts

• Rapport baryons-photons
• Paramètre de densité baryonique
• Baryomètre au deutérium
• Nombre effectif de neutrinos
• Contrainte sur le taux d'expansion
• Concordance avec le FDC

Key theories

Baryomètre à partir des abondances

L'abondance primordiale de deutérium varie fortement avec le rapport baryons-photons, de sorte que sa mesure permet de déterminer précisément la densité baryonique, une détermination indépendante du fond diffus cosmologique.

Contraintes sur les espèces relativistes

Une expansion précoce plus rapide, causée par des espèces relativistes supplémentaires, laisserait plus de neutrons et augmenterait l'abondance d'hélium ; l'hélium observé limite donc le nombre effectif d'espèces de neutrinos dans l'univers primordial.

Mechanisms

L'exécution de codes de nucléosynthèse sur une gamme de rapports baryons-photons produit des courbes d'abondance prédites ; l'ajustement du deutérium et de l'hélium mesurés à ces courbes permet d'obtenir la densité baryonique et de délimiter toute expansion non standard, étant donné que les changements dans le taux d'expansion précoce modifient le gel du rapport neutrons-protons et, par conséquent, les rendements.

Clinical relevance

La densité baryonique issue de la nucléosynthèse concorde avec la valeur dérivée du fond diffus cosmologique, à l'intérieur des incertitudes, une concordance qui valide fortement le modèle cosmologique standard et montre que la matière ordinaire ne représente que quelques pour cent du budget énergétique cosmique, le reste étant constitué de matière noire et d'énergie noire.

History

Schramm, Steigman et d'autres ont développé la nucléosynthèse comme baryomètre et comme contrainte sur les espèces de neutrinos dans les années 1970 et 1980, limitant de manière célèbre le nombre de familles de neutrinos légers avant les expériences de collisionneurs ; des mesures de deutérium de précision ultérieures et les résultats du fond diffus cosmologique de Planck ont amené les deux déterminations de la densité baryonique à une étroite concordance.

Debates

Tension et l'anomalie du lithium

Alors que le deutérium et l'hélium concordent bien avec la densité baryonique du fond diffus cosmologique, le lithium ne le fait pas, ce qui soulève un débat quant à savoir si la tension résiduelle signale une nouvelle physique dans l'univers primordial ou des systématiques astrophysiques et nucléaires non résolues.

Key figures

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

Seminal works

• cyburt2016

Frequently asked questions

Comment les premières minutes de l'univers peuvent-elles nous dire quelle quantité de matière ordinaire existe ?

La quantité de deutérium qui survit dépend fortement de la densité des baryons ; la mesure du deutérium primordial permet donc de compter efficacement les baryons, donnant ainsi la densité baryonique cosmique.

Pourquoi la concordance avec le fond diffus cosmologique est-elle importante ?

La nucléosynthèse sonde l'univers à une seconde tandis que le fond diffus cosmologique le sonde à 380 000 ans ; leurs deux mesures complètement indépendantes de la densité baryonique concordent, ce qui constitue une puissante vérification de la cohérence de l'ensemble du cadre du Big Bang.