Densidade Bariônica e Restrições da BBN

Como os rendimentos de elementos leves do Big Bang dependem da quantidade de bárions existentes, a nucleossíntese mede a densidade bariônica cósmica e restringe a física nos primeiros segundos do universo.

Definition

A densidade bariônica é a densidade média da matéria ordinária no universo, convencionalmente expressa através da razão bárion-fóton; a nucleossíntese do Big Bang a restringe porque as abundâncias previstas de elementos leves variam com essa razão, e as abundâncias também limitam qualquer nova física que alteraria a taxa de expansão inicial.

Scope

Este tópico aborda a dependência das abundâncias primordiais da razão bárion-fóton, a determinação resultante da densidade bariônica cósmica, o notável acordo com o valor independente do fundo cósmico de micro-ondas, e as restrições adicionais que a nucleossíntese impõe à taxa de expansão, ao número de espécies de neutrinos e a outras físicas do universo primordial.

Core questions

• Como a nucleossíntese mede a densidade bariônica cósmica?
• Por que o acordo com o fundo cósmico de micro-ondas é significativo?
• Que outras físicas a nucleossíntese restringe?

Key concepts

• Razão bárion-fóton
• Parâmetro de densidade bariônica
• Barômetro de deutério
• Número efetivo de neutrinos
• Restrição da taxa de expansão
• Concordância com o CMB

Key theories

Barômetro a partir das abundâncias

A abundância primordial de deutério varia acentuadamente com a razão bárion-fóton, de modo que sua medição determina a densidade bariônica com precisão, uma determinação independente do fundo cósmico de micro-ondas.

Restrições em espécies relativísticas

Uma expansão inicial mais rápida, causada por espécies relativísticas extras, deixaria mais nêutrons e aumentaria a abundância de hélio, de modo que o hélio observado limita o número efetivo de espécies de neutrinos no universo primordial.

Mechanisms

A execução de códigos de nucleossíntese em uma faixa de razões bárion-fóton produz curvas de abundância previstas; a correspondência do deutério e hélio medidos com essas curvas fornece a densidade bariônica e limita qualquer expansão não padrão, uma vez que as mudanças na taxa de expansão inicial alteram o congelamento nêutron-próton e, consequentemente, os rendimentos.

Clinical relevance

A densidade bariônica da nucleossíntese concorda com o valor derivado do fundo cósmico de micro-ondas dentro das incertezas, uma concordância que valida fortemente o modelo cosmológico padrão e mostra que a matéria ordinária representa apenas alguns por cento do orçamento de energia cósmica, sendo o restante matéria escura e energia escura.

History

Schramm, Steigman e outros desenvolveram a nucleossíntese como um barômetro e como uma restrição às espécies de neutrinos nas décadas de 1970 e 1980, limitando notavelmente o número de famílias de neutrinos leves antes dos experimentos de colisão; medições de deutério de precisão posteriores e os resultados do fundo cósmico de micro-ondas de Planck levaram as duas determinações de densidade bariônica a um acordo próximo.

Debates

Tensão e a anomalia do lítio

Embora o deutério e o hélio concordem bem com a densidade bariônica do fundo cósmico de micro-ondas, o lítio não, levantando debate sobre se a tensão residual sinaliza nova física no universo primordial ou sistemáticas astrofísicas e nucleares não resolvidas.

Key figures

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

Seminal works

• cyburt2016

Frequently asked questions

Como os primeiros minutos do universo podem nos dizer quanta matéria ordinária existe?

A quantidade de deutério que sobrevive depende fortemente de quão densamente compactados os bárions estavam, então medir o deutério primordial efetivamente conta os bárions, fornecendo a densidade bariônica cósmica.

Por que o acordo com o fundo cósmico de micro-ondas é importante?

A nucleossíntese sonda o universo em um segundo, enquanto o fundo cósmico de micro-ondas o sonda em 380.000 anos; suas duas medições completamente independentes da densidade bariônica concordam, um poderoso teste de consistência para todo o arcabouço do Big Bang.