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专业: 宇宙学

[交流] 【交流】标准模型核合成理论概要已有2人参与

标准模型核合成理论概要
根据标准宇宙学模型，核合成理论主要有两个观点。一是宇宙中质量约占25%的化学元素是氦。二是这么多氦是无法在恒星内部核反应中合成。最明显的表述见上海天文台的宇宙学家景益鹏先生2003年在科学(上海) 第55卷第03期的文章：‘ WMAP：宇宙学研究的新纪元’中写到：根据天文观测，宇宙中质量约占25%的化学元素是氦。由于这么多氦是无法在恒星内部核反应中合成，伽莫夫大胆提出了氦元素是在宇宙大爆炸几分钟后合成的思想。
‘根据天文观测，宇宙中质量约占25%的化学元素是氦’这个结论如何得出？我们知道，宇宙中有许多物质还没有被观测到，更不要说准确地测定物质总质量，例如，2009年5月国外媒体报道，一个由多国天文学家组成的研究小组日前称，他们最近利用欧洲航天局1999年发射的XMM—牛顿X射线卫星，在宇宙中寻找到了部分失踪物质。所谓失踪物质实际上就是以前没有被观测到的物质。另外，在宇宙的不同区域，已有的天文观测表明，各种化学元素的含量也是不一样的。因此‘根据天文观测，宇宙中质量约占25%的化学元素是氦’这个结论，不可能是简简单单地对整个宇宙中各个区域化学元素氢和氦的含量进行直接观测而得到的。
实际上，我们现在能够准确地测定氢和氦的含量比是从太阳大气中得到的。根据C. W. Allen的 Astrophysical Quantities，在太阳大气中，氢和氦的含量，若原子数目之比计算，大约为100：8.5，若按质量计算，氢和氦之比约为100：34。若按质量所占的百分比计算，氢约占73%，氦约占25% 。对整个宇宙中其它区域化学元素氢和氦的含量只能进行抽样观测。观测结果虽然不是非常一致，但 ‘根据天文观测，宇宙中质量约占1/4的化学元素是氦’这个结论还是基本可信的。
那么‘这么多氦是无法在恒星内部核反应中合成’这个结论是如何得出？这个问题比较复杂。根据标准宇宙学模型中核合成理论，通常只讨论在宇宙诞生的早期，温度极高，以致化学元素无法存在。只有当宇宙膨胀，温度下降到一定程度后，化学元素才能被合成。根据现有的标准宇宙学模型理论（可参看俞允强‘热大爆炸宇宙学’一书第六章），宇宙中第一批化学元素氢和氦等，是在宇宙年龄为3分钟到1小时之内就合成出来。理论计算结果是，这时已经合成的氦约占1/4，氢约占3/4，其它原子核只占不到万分之一。至于在恒星内部核反应中合成氦的理论是存在的，但是似乎没有人具体直接从恒星内部核反应过程出发，讨论过在整个宇宙中，由恒星内部核反应过程产生的氦的总含量有多大贡献。
例如，俞允强在‘热大爆炸宇宙学’‘一.，最初的原子核合成过程’中（p84），对这个问题只用‘大家都知道恒星在把氢烧成氦，但远不可能产生那么多’一句话带过。在‘三，氦4原初丰度的实测推断’中（p90），也只有一句，‘顺便指出，这结果表明，今天宇宙中的氦4确实大部分宇宙早期，而恒星产生的仅是次要部分’。
俞允强在另外一部‘物理宇宙学讲义’书中，第一部分第一章专门用来讨论恒星的性质，但同样没有直接对恒星内部核反应过程产生的氦的总量进行估计。只是在‘7.3 产额的计算方法和结果’中（物理宇宙学讲义p176）提到，理论产额代表宇宙年龄为1小时的元素丰度，而实测的得到的却是演化了百亿年后的宇宙中元素的丰度。这两个时刻之间有过恒星代复一代的形成和死亡，它们是改变了宇宙中元素的丰度的。怎么扣除恒星过程对元素丰度的影响是实测检验中的主要困难。
在‘7.4 氦4原初丰度的实测推断’（物理宇宙学讲义p176）提到，虽然原初核合成理论很确定，可是由于输入参量的不确定，使我们不能得到一个明确的理论产额值。在（物理宇宙学讲义p179）提到，综合研究现状看，人们对氦原初丰富度的推断仍很初步，可是不能忽视这些初步结果中包含着的重要信息。首先它证实了今天宇宙中大部分氦不是恒星核燃烧的产物，而是来自宇宙早期。
由此我们可以看到，所谓‘这么多氦是无法在恒星内部核反应中合成’这个结论，是从实际观测结果接近标准模型对最初的原子核合成过程理论计算结果反推出来，并不是直接从恒星内部核反应计算出来。

参考文献
52 景益鹏 WMAP：宇宙学研究的新纪元 2003年科学(上海) 第55卷第03期
（新牛顿宇宙第四章核合成 4.1 标准模型理论概要）

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