重子密度与大爆炸核合成（BBN）约束

由于大爆炸轻元素产额取决于宇宙中重子的数量，核合成测量了宇宙重子密度，并约束了宇宙最初几秒钟的物理学。

Definition

重子密度是宇宙中普通物质的平均密度，通常通过重子-光子比来表示；大爆炸核合成对其进行约束，因为预测的轻元素丰度随该比率而变化，并且这些丰度也限制了任何可能改变早期膨胀率的新物理学。

Scope

本主题涵盖了原初丰度对重子-光子比的依赖性、由此确定的宇宙重子密度、与宇宙微波背景辐射独立值的显著一致性，以及核合成对膨胀率、中微子种类数量和其他早期宇宙物理学施加的额外约束。

Core questions

• 核合成如何测量宇宙重子密度？
• 与宇宙微波背景辐射的一致性为何如此重要？
• 核合成还约束了哪些其他物理学？

Key concepts

• 重子-光子比
• 重子密度参数
• 氘重子测量器
• 中微子有效数量
• 膨胀率约束
• 与宇宙微波背景辐射的一致性

Key theories

丰度重子测量器

原初氘丰度随重子-光子比急剧变化，因此测量它可以精确确定重子密度，这一测定独立于宇宙微波背景辐射。

对相对论性粒子的约束

更快的早期膨胀（由额外的相对论性粒子引起）会留下更多的中子并提高氦丰度，因此观测到的氦限制了早期宇宙中中微子种类的有效数量。

Mechanisms

通过一系列重子-光子比运行核合成代码，可以生成预测的丰度曲线；将测得的氘和氦与这些曲线进行匹配，可以得出重子密度并约束任何非标准膨胀，因为早期膨胀率的变化会改变中子-质子冻结（neutron-to-proton freeze-out），从而改变产额。

Clinical relevance

核合成得出的重子密度与宇宙微波背景辐射得出的值在不确定性范围内一致，这种一致性有力地验证了标准宇宙学模型，并表明普通物质仅占宇宙能量预算的百分之几，其余为暗物质和暗能量。

History

施拉姆（Schramm）、施泰格曼（Steigman）及其他研究人员在20世纪70年代和80年代发展了核合成，将其作为重子测量器和中微子种类约束，在对撞机实验之前就著名地限制了轻中微子家族的数量；后来精确的氘测量和普朗克（Planck）宇宙微波背景辐射结果使两种重子密度测定结果高度一致。

Debates

张力与锂异常

虽然氘和氦与宇宙微波背景辐射的重子密度吻合良好，但锂却不吻合，这引发了关于这种残余张力是否预示着早期宇宙中的新物理学或未解决的天体物理和核系统误差的争论。

Key figures

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

Seminal works

• cyburt2016

Frequently asked questions

宇宙最初几分钟如何告诉我们存在多少普通物质？

氘的存留量与重子密集程度密切相关，因此测量原初氘可以有效地计算重子数量，从而得出宇宙重子密度。

与宇宙微波背景辐射的一致性为何重要？

核合成探测的是宇宙一秒时的状态，而宇宙微波背景辐射探测的是宇宙38万年时的状态；它们对重子密度的两次完全独立的测量结果一致，这是对整个大爆炸框架的有力一致性检验。