Ядерная астрофизика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Институт/ 

Факультет    –  ФТИ

Направление –  Ядерные физика и технологии

Кафедра     –  ФЭУ

 

 

 

Ядерная астрофизика

Реферат по курсу «Введение в ядерную физику»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. 0А14                 ________ _______ А.В.

      Подпись                  Дата            И.О.Фамилия

 

Проверил преподаватель кафедры ФЭУ    ________ _______ А.О.

      Подпись         Дата            И.О.Фамилия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск – 2013

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Ядерная астрофизика - раздел астрофизики, тесно связанный с ядерной физикой и с теорией взаимодействий элементарных частиц. Перекрывается с физикой космических лучей и с нейтринной астрофизикой. Ядерная астрофизика использует достижения лабораторной и теоретической ядерной физики для объяснения источников энергии астрономических объектов, происхождения химических элементов, для космохронологии. В свою очередь, некоторые астрономические наблюдения позволяют наложить ограничения на ряд параметров теории взаимодействий элементарных частиц с точностью, которую невозможно достичь в лабораторных экспериментах (особенно для слабовзаимодействующих частиц, например нейтрино).

В данной работе будут представлены некоторые проблемы эволюции Вселенной, нуклеосинтеза и космохронологии с точки зрения физики ядра и элементарных частиц, в частности с использованием последних результатов, полученных с помощью пучков радиоактивных ядер. В статье приводится сравнение процессов, происходящих во Вселенной, с механизмами образования и распада ядер, а также их взаимодействия при различных энергиях. Даны примеры, показывающие возможности методов ядерной физики в исследовании космических объектов и свойств Вселенной. Результаты исследований ядерных реакций с пучками радиоактивных ядер, позволяют по-новому рассматривать сценарий нуклеосинтеза в области легких элементов.

 

2. Основные представления об эволюции вселенной

Исследования законов микромира, которыми занимается ядерная физика, в последнее время помогли существенно расширить наши представления о явлениях, происходящих в макромире - нашей Вселенной, внесли огромный вклад в разработку астрофизических и космологических теорий. Прежде всего это касается модели расширяющейся Вселенной, эволюции звезд и распространенности элементов, а также свойств различных звезд и космических объектов: “холодных”, нейтронных, черных дыр, пульсаров и др. Не претендуя в короткой статье на полное изложение всех проблем космологии, остановимся лишь на тех, которые имеют, на наш взгляд, много общего со свойствами ядерной материи, проявляющимися при ядерных взаимодействиях.

 

3. Модель расширяющейся Вселенной

В 1965 году с помощью радиотелескопа было обнаружено существование изотропного «шума», который был отождествлён с тем, что сейчас называют реликтовым излучением, т.е. излучением равномерно распределённым по небесной сфере и по интенсивности соответствующем тепловому излучению абсолютно чёрного тела при температуре ~3°К. Это наблюдение имело очень важное значение для космологии, так как ранее Гамовым было предсказано теоретически существование подобного излучения в рамках модели, опирающейся на закон Хаббла: «Красное смещение излучения, испускаемого галактиками, пропорционально удалённости от этих галактик». Если объяснять такое смещение эффектом Доплера, то это приводит к картине расширяющейся Вселенной, в которой галактики «разлетаются». Если экстраполировать эту ситуацию назад в прошлое, то можно прийти к заключению, что в прошлом скорость расширения была больше, а плотность Вселенной — выше, чем сейчас. Насколько же далеко в прошлое мы вправе проводить подобную экстраполяцию? Очевидно, это можно делать до той эпохи, когда вся Вселенная была сжата в точку. Согласно оценкам, это было около 10 млрд. лет назад. Полагают, что именно в эту эпоху и возникла наблюдаемая ныне Вселенная, причём возникла в чудовищном взрыве. Большой взрыв, как его называют, положил начало не только Вселенной, но и всем известным нам физическим понятиям, включая понятия пространства и времени. Некоторые авторы [1, 2] рассматривают эволюцию Вселенной в виде четырёх последовательных эр, в результате смены которых согласно новейшим моделям, она пришла к своему теперешнему состоянию(p10730 г/см3, Т=3°К) (рис. 1)

Рисунок 1 - Связь температуры, энергии, размеров, плотности и времени, существовавшая в ранней Вселенной. Нижняя часть схемы показывает кварковый и лептонный состав материи.

В этих моделях предполагается, что Вселенная ведет себя как абсолютно черное тело, температура и плотность которого очень высокие (плотность его больше ядерной 1015 г/см3, а температура выше 1 ГэВ (=1013 К)). Излучение этого абсолютно черного тела состоит из известных адронов, лептонов и фотонов и происходит до тех пор, пока температура выше, чем масса самого легкого из адронов, то есть p-мезона (  140 МэВ, температура 1,6 *1012 К). Это соответствует адронной эре, продолжительность которой составляет примерно 10-4 с. К концу ее плотность сравнима с плотностью ядерного вещества. Когда температура становится ниже 100 МэВ (1012 К), адроны еще остаются, но уже не могут рождаться спонтанно в излучении абсолютно черного тела. Теперь излучение состоит главным образом из лептонов и фотонов, и так остается до тех пор, пока температура выше порога рождения пары   e+ + е-, то есть примерно 1 МэВ. Охлаждение от 100 до 1 МэВ занимает около 1 с. Это время соответствует так называемой лептонной эре, к концу которой плотность становится 104 г/ см3.

При температуре ниже 1 МэВ лептоны хотя и существуют как частицы, но уже не могут спонтанно рождаться в излучении абсолютно черного тела. Теперь излучение состоит преимущественно из фотонов. Это начало радиационной эры, конец которой определяется моментом, после которого излучение (фотонное) существует отдельно от вещества (адронов и лептонов). Эта эра заканчивается примерно через 106 лет после Большого взрыва.

Плотность вещества становится больше плотности излучения (плотности энергии фотонов) и увеличивается по мере расширения. Это соответствует звездной эре, которая продолжается до наших дней. В.Л. Гинзбург в книге [2] попытался достаточно наглядно описать проблемы расширяющейся Вселенной взаимодействием большого числа различных частиц: фотонов, электронов, нейтрино, мюонов, пи-мезонов, протонов, нейтронов и др. Стоит заметить, что этот подход является достаточно условным, так как мы до сих пор не имеем полного понимания физики элементарных частиц.

Основная проблема, с которой сталкиваются физики при попытке объяснить космологические явления, в том числе и расширяющуюся Вселенную, связана с сильным взаимодействием элементарных частиц. Сильные взаимодействия - это те силы, которые удерживают вместе нейтроны и протоны в атомном ядре. Радиус действия этих сил чрезвычайно мал (~ 10-13 см). Даже в молекулах, ядра которых находятся на расстоянии 10-8 см друг от друга, сильные взаимодействия между ядрами не дают никакого эффекта. Когда два протона подходят друг к другу достаточно близко, сильные взаимодействия становятся примерно в 100 раз больше, чем электрическое отталкивание, поэтому они удерживают атомные ядра от развала. Именно интенсивность сильных взаимодействий делает их значительно более трудными для математического анализа, чем электромагнитные взаимодействия. Вклады разного типа взаимодействия между нуклонами символически изображаются фейнмановскими диаграммами, с помощью которых физики пытаются учесть все взаимодействия. Проблема, заключающаяся в сложности расчета вероятностей процессов, включающих сильные взаимодействия, была основной причиной, сдерживающей развитие физики элементарных частиц в последнее время. Однако не все процессы включают сильные взаимодействия. Эти взаимодействия испытывают лишь частицы, известные как адроны. Сюда входят ядерные частицы и пи-мезоны, а также другие нестабильные частицы, такие, как К-мезоны, эта-мезоны, лямбда-гипероны и др. Лептоны (нейтрино, электроны и мюоны) легче адронов и в отличие от последних не чувствуют сильных взаимодействий.

При температуре ниже 1012 К (лептонная эра) единственными частицами, присутствующими в больших количествах, были лептоны и фотоны, взаимодействиями между которыми можно было пренебречь. Другая ситуация соответствовала более высоким температурам (адронная эра), когда в больших количествах имелись адроны и антиадроны. В физике элементарных частиц существуют несколько различных моделей, с помощью которых пытаются объяснить свойства адронов. Одна из них предполагает, что не все частицы одинаковы, некоторые действительно элементарны, а все остальные состоят из простых комбинаций элементарных частиц. Считается, что элементарными частицами являются фотон и все известные лептоны. Однако адроны не являются элементарными частицами. Они состоят из более фундаментальных частиц - кварков. Кварки бывают различных типов, или ароматов, такие, как верхний, нижний, странный, очарованный. Более того, каждый аромат кварка бывает трех различных цветов: красного, белого и голубого.

Если идея кварков правильна, то в этой концепции можно объяснить физику ранней Вселенной. Экспериментально при столкновениях электронов с ядерными частицами было показано, что сила между кварками чрезвычайно мала, когда кварки находятся близко один к другому. Таким образом, при некоторой температуре (около нескольких тысяч миллиардов градусов) адроны разбиваются на составляющие их кварки, так же как атомы разбиваются на электроны и ядра при нескольких тысячах градусов, а ядра разбиваются на протоны и нейтроны при нескольких тысячах миллионов градусов. Тогда в ранние времена Вселенную можно рассматривать как состоящую из фотонов, лептонов, антилептонов, кварков и антикварков, причем каждая разновидность частиц представляет собой еще один тип излучения. Между тем, несмотря на успешное описание многих явлений, в том числе и в космологии, кварковая модель однозначно не подтверждена, так как до сих пор невозможно разбить любой адрон на составляющие его кварки, даже с помощью современных ускорителей самых высоких энергий.

Все, что было сказано выше, относится к возможной интерпретации расширения Вселенной на основе сильных взаимодействий элементарных частиц. Между тем одним из наиболее интересных следствий современной теории элементарных частиц является то, что Вселенная могла испытать фазовый переход из одного состояния вещества в другое. И этот фазовый переход связан с другим классом короткодействующих взаимодействий - слабым взаимодействием. Слабые взаимодействия в ядерной физике ответственны за определенные процессы радиоактивного распада (например,  -распада свободного нейтрона) или за любую реакцию, включающую нейтрино.

Авторы работы [3], показали, что интенсивные потоки нейтрино могут образовываться в результате взрыва Сверхновой, что может быть интерпретировано на основе ротационного механизма. Слабые взаимодействия значительно слабее сильных, или электромагнитных взаимодействий. Между тем существует глубокая связь между слабыми и электромагнитными взаимодействиями, которая и легла в основу новой теории поля, объединяющей эти две силы*). Развитие этой теории позволило также сделать важные выводы по проблемам, относящимся к изучению ранней Вселенной.

В 1998 году С. Перлмуттером, А. Райесом из США и Б. Шмидтом из Австралии было предсказано ускорение расширения Вселенной. За это открытие в 2011 году они удостоились Нобелевской премии по физике. Это открытие было сделано на основании изменяемости светимости сверхновых звезд, заканчивающих свою эволюцию взрывом. Установить ускорение расширения Вселенной позволил так называемый закон Хаббла, связывающий, как уже отмечалось выше, красное смещение галактик (понижение частот излучения, свидетельствующее о динамическом удалении этих источников друг от друга и в том числе от нашей Галактики) и расстояние до них линейным образом.

Раньше считалось, что Вселенная после Большого взрыва должна расширяться с замедлением, поскольку все тела, которым взрыв придал ускорение, притягиваются друг к другу. Впрочем, впоследствии выяснилось: то, как она расширяется, зависит от того, чем она заполнена. Если бы она была заполнена обычным веществом, то действительно происходило бы замедленнее, однако она расширяется с ускорением из-за темной энергии.

Нельзя сказать, чтобы открытие было полной неожиданностью — отмечались и косвенные признаки, наличие которых порождало подозрения, что темная энергия есть. Но нобелевские лауреаты привели непосредственное измерение ускорения расширения Вселенной, что подтвердило теорию и о темной энергии.

Это открытие породило множество рассуждений о последствиях такого расширения Вселенной. Если раньше предполагалось, что концом Вселенной станет «мировой котел», гибель планет в мировом океане энергии, то теперь можно предположить, что Вселенная остынет: разлетевшись по безбрежным уголкам вакуума, звезды взорвутся, и планеты замерзнут. Вселенную ждет ледяное озеро Коцит, как писал в свое время Данте Алигьери. Однако все это требует дальнейшего осмысливания и накопления новой информации и новых подходов к описанию эволюции вселенной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Источники энергии звезд

В этой главе мы попытаемся разобраться в том , как могли возникнуть звезды и планеты, откуда берется огромная энергия, излучаемая звездами, и, наконец, что происходит со звездой, когда иссякает источник ее энергии. При этом отправным пунктом нашего рассмотрения будет общепринятая точка зрения, что прародительницей всех галактик с входящими в них звездами и планетами является первичная смесь, состоявшая примерно из 75 % водорода и 25 % гелия.

Флуктуации плотности первичного газа приводят к образованию сгустков или “комков”, которые начинают сжиматься под действием сил тяготения. Сжатие газа приводит к повышению температуры в центре газового “комка”. В результате разогрева примерно до 107 К в центре будущей звезды загорается первая реакция синтеза водорода в гелии. Выделяемая в такой реакции энергия частично теряется на излучение, частично тратится на поддержание теплового давления, препятствующего дальнейшему гравитационному сжатию. В результате на первом, самом долгом, этапе своей эволюции звезда представляет собой равновесную термодинамическую систему, поддерживаемую в таком состоянии термоядерной реакцией синтеза водорода в гелий.

В равновесном состоянии между потенциальной энергией тяготения U и средней кинетической, или “тепловой”, энергией движения частиц газа Eкин устанавливается соотношение носящее название теоремы вириала:

2Eкин = -U

Таким образом, в стационарном состоянии потенциальная энергия гравитационного сжатия звезды по абсолютной величине всегда вдвое больше тепловой энергии. Благодаря этому стационарное состояние звезды очень устойчиво.

Из теоремы вириала следует, что звезда обладает отрицательной теплоемкостью. Обычные тела при остывании отдают энергию и понижают свою температуру, их теплоемкость поэтому положительна. У звезды происходит все наоборот чем больше энергии излучается с ее поверхности, тем выше становится ее температура в центре. Объясняется это тем, что, когда звезда теряет энергию, она постепенно сжимается за счет сил тяготения. При сжатии потенциальная энергия тяготения превращается в кинетическую энергию падения слоев звезды к центру, так что звезда разогревается. В силу теоремы вириала потенциальная энергия звезды по абсолютной величине вдвое больше тепловой энергии, следовательно, тепловая энергия, приобретаемая звездой в результате сжатия, вдвое больше той энергии, которая теряется в виде излучения. В результате температура в центре звезды становится тем больше, чем больше энергии она потеряет на излучение

Благодаря указанному удивительному свойству звезд — отрицательной теплоемкости — в недрах звезды осуществляется непрерывный термоядерный синтез.

Так как температура в центре неуклонно повышается, это означает, что происходит переход от одной термоядерной реакции синтеза к другой реакции, в которой участвуют более тяжелые элементы

Дальнейший сценарий эволюции звезды после образования первичного “комка” существенно зависит от его исходной массы. Нетрудно оценить минимальную массу первичного ”комка” вещества, из которого может образоваться протозвезда. Действительно, гравитационная энергия N нуклонов массой т в объеме К (плотность нуклонов р = N/V) равна по порядку величины

С другой стороны, электростатическая энергия отталкивания электронов в атомных оболочках при сближении атомов равна

Введем безразмерные константы электромагнитного и гравитационного взаимодействий (подразумевается, что мы выбрали систему единиц = с = 1): , где mp — масса протона. Тогда отношение

и при

 нуклонов

Гравитационное сжатие доминирует над электростатическим отталкиванием. Это соответствует масса, большим, чем масса Юпитера.

Итак, на самой ранней стадии эволюции звезда представляет собой состоящий из водорода и гелия (в пропорции примерно 3:1) газовый шар достаточно большой массы М и большого размера, который продолжает сжиматься за счет гравитационных сил. При этом шар излучает энергию за счет энергии гравитации. Звезда сжимается, увеличивая среднюю температуру и плотность в центре.

Если исходная масса превосходит величину, равную 0,08 массы Солнца, то температура окажется достаточно высокой, чтобы начали протекать следующие термоядерные реакции:

(здесь D – дейтерий 2H). Последовательность этих трех реакций, которые начинают идти при температурах (1,0 – 1,5)*107 К, носит название протон-протонного цикла(цикла Бете) (рис. 1). Этот цикл является основным механизмом выделения энергии на Солнце и других водородных звездах. В результате этой последовательности реакций четыре ядра атома водорода (четыре протона) превращаются в ядро атома гелия (альфа частицу), два позитрона, два нейтрино и два фотона с общей кинетической энергией примерно 26 МэВ. Заметим, что первая из реакций является реакцией слабого взаимодействия, аналогичной реакции бета-распада нейтрона.

Если температура в центре звезды находится в интервале (1,5 – 2,5)*107 К, то становится возможным другой цикл:

Рисунок 2 – Протон-протонный цикл

Вычислим равновесный радиус звезды массой М, удерживаемой в равновесии балансом сил тяготения и сил теплового давления. Для упрощения вычислений будем считать, что плотность звезды постоянна. В действительности плотность звезды в центре значительно больше, чем на периферии, однако предположение о постоянстве плотности приводит к достаточно точному для наших целей результату.

Гравитационное давление в центре однородного шара радиусом Rравно Р = pgR/2, гдe g=GM/R2 — величина ускорения свободного падения на поверхности шара. Таким образом,

Тепловое давление равно

где mp – масса протона. Приравнивая эти давления, находим равновесный радиус

В случае, когда и M = Mc = кг величина R = м. Это практически совпадает с реальным радиусом Солнца Rc = м. Давление в недрах солнца составляет Pc = 1016 Па. Солнце может светить еще не менее 10 млрд лет.

 

5. Эволюция звезд

Энергия, излучаемая в единицу времени, называется светимостью звезды. Светимость Солнца, равная Lс = 4-1026 Вт, не очень высока, поэтому Солнце причисляют к звездам-карликам. Существуют и звезды-гиганты, светимость которых в десятки тысяч раз больше. Масса таких звезд в десятки раз больше массы Солнца. Вообще, в видимой Вселенной наблюдается около 1021 звезд, большинство из которых — красноватые карлики, светимостью и массой уступающие Солнцу (желтый карлик). Самые крупные из известных звезд имеют массу около 5ОМс (мы не учитываем здесь черные дыры, о которых речь пойдет позже), а самые малые — около 0,01 Мс. Различие светимостей гораздо сильнее: от 10-4 Lс у белых карликов до 105 Lс у звезд-гигнтов.

Чем больше звезда, тем ярче она светит. При этом, как следует из приведенных значений, зависимость светимости звезды от массы более сильная, чем по закону прямой пропорциональности. Для звезд, в несколько раз превосходящих по массе Солнце, светимость пропорциональна кубу массы. Так как запасы ядерной энергии определяются массой звезды, то из определения светимости следует, что время исчерпания запасов горючего обратно пропорционально квадрату массы звезды. Чем массивнее звезда, тем быстрее она сжигает свое термоядерное горючее в центре. Например, если звезда имеет массу 30 Мс, то ее водород будет израсходован за 10 млн лет.

Когда исчерпывается какой-либо источник энергии, например водород в центральной части звезды, она переходит к новому состоянию равновесия. Смена ядерного горючего — водород, гелий, углерод-кислород, кремний и т. д. вплоть до железа — приводит к изменению строения звезды, соотношения между ее массой и светимостью. Каждый следующий этап термоядерного синтеза происходит все быстрее — от миллиардов лет для синтеза водорода до долей секунд для синтеза самых тяжелых элементов. Остановка синтеза на элементах группы железа связана с тем, что у ядер этой группы максимальная энергия связи на нуклон (см. рис. 29-8) и дальнейшие термоядерные реакции требуют уже затрат энергии.

Соответственно меняется структура и наблюдаемые свойства звезд: из звезды типа Солнца, в недрах которой идет реакция термоядерного синтеза четырех ядер водорода в ядро гелия с высвобождением энергии, она превращается в красный гигант или сверхгигант (в недрах, которых происходит синтез ядер гелия в ядра углерода и кислорода). После окончания стадии термоядерного горения звезда переходит в завершающую стадию эволюции, существенно определяемую законами квантовой механики, ядерной физики и теории относительности (рис. 3).

На этой стадии возможны три сценария эволюции, зависящие от исходной массы звезды.

 

 

 

 

Рисунок 3 – Три возможных сценария эволюции звезды: а) белый карлик; б) нейтронная звезда; в) черная дыра(стрелками указана траектория излученного звездой света)

Белый карлик. Если масса центрального ядра звезды не превышает 1,4 Мс (так называемый предел Чандрасекара), то после окончания процессов термоядерного горения она сжимается за счет сил гравитации до тех пор, пока это сжатие не будет уравновешено специфическими силами отталкивания, обусловленными давлением вырожденного газа нерелятивистских электронов. Сжатие останавливается, когда плотность вещества достигает значения ~109 кг/м3. Возникает белый карлик — звезда размером с Землю и светимостью ~10-3Lс и меньше. Белый карлик светит за счет остатков своей тепловой энергии. Постепенно остывая, он может существовать еще миллиарды лет. По оценкам, белые карлики составляют примерно 10 % всех звезд.

Нейтронная звезда. Если масса исходной звезды находится в интервале (1,4 — 3) Lс, то при сжатии звезды электроны плазмы становятся релятивистскими, а давление вырожденного газа релятивистских электронов уже не способно удержать звезду от дальнейшего сжатия (доказательство см. ниже). На этом этапе, когда энергия электронов превышает разность масс нейтрона и протона, становится возможной реакция ; электроны как бы вдавливаются в протоны, образуя нейтроны. В результате в самом центре сжимающейся звезды образуется ядро, состоящее из нейтронов, окруженное оболочкой из железа. Весь этот процесс носит взрывной характер и происходит очень быстро, за доли секунды. В результате взрыва рождается сверхновая, состоящая из крохотной, размером порядка 10 км, центральной звезды, т. н. пульсара, и сброшенной взрывом расширяющейся оболочки. Плотность нейтронной звезды составляет ~ 1018 кг/м3.

Впервые процесс нейтронизации в сверхплотном веществе исследовал JI. Д. Ландау. В 1932 г. он теоретически предсказал существование нейтронных звезд, обнаруженных 35 лет спустя.

Черные дыры. Если масса исходной звезды превышает ЗМс, то уже нет сил, которые могли бы остановить неудержимое сжатие ядра звезды под действием собственного тяготения. Стремительное сжатие приводит к гравитационному коллапсу, в результате которого образуется объект удивительными свойствами, получивший название черной дыры. Сила тяготения на поверхности черной дыры столь велика, что даже свет не может оторваться от нее и излучиться в пространство. Поэтому с точки зрения внешнего наблюдателя черная дыра невидима. Ниже мы обсудим подробнее свойства черных дыр.

6. Нуклеосинтез

1. Начальный этап нуклеосинтеза

Как уже отмечалось, важную роль в ранней Вселенной играло излучение. Это излучение имеет тепловой спектр, и его интенсивность U можно характеризовать температурой Т согласно соотношению U = aT4, где а - постоянная излучения. По мере продвижения к начальному этапу температура излучения растет по закону Т = Тр(1 + Z ), где Тр - температура излучения сегодня и Z - величина, соответствующая красному смещению.

Для раннего периода, когда излучение доминировало, из уравнений Эйнштейна следует простое соотношение между температурой Т и временем t, прошедшим с момента Большого взрыва:

Время t здесь выражено в секундах, а температура Т - в кельвинах. Постоянная   имеет величину порядка единицы и зависит от состояния вещества и излучения во Вселенной. Если положить   = 1, то, согласно этому соотношению, спустя 1 с после Большого взрыва температура излучения во Вселенной была 1010 К. При такой температуре в ранней Вселенной, состоящей из электронов, позитронов, нейтрино, антинейтрино, нейтронов, протонов и фотонов, могли образоваться различные ядра, начиная с дейтронов и кончая гелием. Более тяжелые ядра, такие, как ядра углерода, кислорода и т.д., могли синтезироваться лишь в ходе термоядерных реакций в звездах. Причина этого заключается в том, что есть некоторый интервал неустойчивости легких ядер, расположенных около ядра лития, и этот интервал не удается преодолеть в ходе первичного нуклеосинтеза. Поэтому синтез в раннюю эпоху останавливается на стадии образования гелия.

Полагают, что одной из первых реакций, приводящей к образованию тяжёлых ядер, является реакция n+p→α+γ. Как показали расчеты эта реакция идёт при температуре Т=9•109К, что соответствует соотношению нейтронов и протонов во Вселенной Nn/Np=0,2 и времени ~3 с. При этих условиях дейтерия образуется в достаточном количестве для производства ядер с массой 3 в следующих реакциях:

d + n → 3H + γ,

d + p → 3He + γ,

или

d + d → 3H + n,

d + d → 3He + p,

и окончательно 4He может быть образован в результате реакций

3H + p → 4He + γ,

3He + n → 4He + γ.

Энергия связи продуктов этих реакций больше чем дейтерия (2,225 МэВ), тогда если фотон может образовать дейтерий, то он может реализовать и другие реакции. Т. к. не существует стабильной массы 5, то 4Не является последним ядром в начальном этапе нуклеосинтеза. В принципе, он мог бы образовать более тяжёлые ядра (А=7) в результате реакций

4Не + 3H → 7Li + γ,

4Не + 3Не → 7Be + γ,

но кулоновский барьер для этих реакций около 1МэВ, тогда как ядра при температуре Т=9•108 К имеют кинетическую энергию только 0,1 МэВ.

В работе [4] приводятся в хронологическом порядке события, которые происходили во Вселенной, начиная с момента 10-2 с после её рождения (табл. 1). Из таблицы 1 видно, что процессы образования ядер прекращаются при t=35 мин, когда температура Вселенной падает до 3•108 К. Это означает, что протоны и нейтроны уже не сливаются, образуя более тяжёлые ядра. Следующий этап осуществляется, когда возраст Вселенной достигает 7•105 лет и температура падает до 3000°К. При такой температуре химическая энергия связи атомных ядер и электронов достаточно высока, чтобы удержать их вместе в виде нейтральных атомов. В эту эпоху происходит образование водорода и гелия. На этом завершается этап первичного нуклеосинтеза. Более тяжёлые ядра образуются уже в результате процессов, связанных с эволюцией звёзд.

Таблица 1 – Первичный Нуклеосинтез

Возраст Вселенной	Температура, К	Состояние и состав вещества
10-2 с	1011	n, p, е-, e+, , в тепловом равновесии; n и p в одинаковом количестве
10-1 с	3•1010	Те же частицы, что и выше, но отношение числа нейтронов к числу протонов n : p = 3 : 5
1 с	1010	, отделяется от остальных частиц; е-, e+ начинают аннигилировать; n : p = 1 : 3
13,8 с	3•109	Начинается образование D и 4Не; исчезают е-, e+; есть также свободные n и p
35 мин	3•108	Фиксируется количество D и 4Не по отношению к числу протонов и электронов; 4Не/Н - 22-28% (по массе)
7•105 лет	3•103	Химическая энергия связи становится достаточной, чтобы образовались устойчивые нейтральные атомы. Теперь Вселенная прозрачна для излучения. Вещество начинает доминировать над излучением