مُراجَعَةٍ مُحْدَثه لِتَوَقُّعاتِ التخليق النَوَوِيِّ الكَبِيرِ الاِنْفِجارِيّ القِياسِيَّ مُقابِلَ تَقْدِيراتِ الفَلَك لِوَفْرَةِ النَوَى الخَفِيفَةِ مُقَدِّمَةِ هُنا. بِشَكْلٍ خاصٍّ، يُقَدِّم التَحْلِيلِ النطاقات المُتَوَقَّعَةِ لَجُزْء الباريون وَالعَدَد الفَعّالَ للنيوترينوات كَما تَمَّ الحُصُولِ عَلَيها مِن التخليق النَوَوِيِّ الكَبِيرِ الاِنْفِجارِيّ فَقَط.
تَلْعَب عَمَلِيَّةِ التخليق النَوَوِيِّ الَّتِي تَحَدَّثَ فِي البلازما البِدائِيَّةِ دَوْراً مُزْدَوِجاً: فَهِيَ بِلا شَكَّ أَحَدُ الأَعْمِدَةِ الرصديه لَنَمُوذَج الاِنْفِجارِ العَظِيم الساخِنِ، وَالمَعْرُوفُ بِبَساطَة بِاِسْمِ “تخليق الاِنْفِجارِ العَظِيم النَوَوِيِّ”؛ وَفِي الوَقْتِ نَفْسِهِ، تُوَفِّر واحِدَةٍ مِن أَقْدَمَ الاِخْتِباراتِ الكَوْنِيَّة المُباشِرَةِ المُتاحَةِ حالِيّاً، مِمّا يُقَيِّد خَصائِصِ الكَوْنِ عِنْدَما كانَ عُمْرِهِ بِضْعَ ثَوانٍ فَقَط، أَو بِما يُعادِل ذٰلِكَ عِنْدَ مِقْياسِ دَرَجَةِ حَرارَةُ ميغا إِلِكْترُون فَوَلَّت.
ظُهْرِ الإِطارِ الأَساسِيُّ لتخليق الاِنْفِجارِ العَظِيم النَوَوِيِّ فِي العَقْدِ الَّذِي يَفْصِل بَيِّنَ وَرَقَةً الفر-بيث-جامُو (المَعْرُوفَةِ بِاِسْمِ \(\alpha\beta\gamma\)) فِي عامَ 1948 (Alp48) وَتَأْسِيسُ النَمُوذَجِ الأَساسِيُّ للتخليق النَوَوِيِّ النَجْمِيّ لِلعَناصِر الأَثْقَل مِن \(^7\)Li مَعَ وَرَقَةً بِي\(^2\)إِف اتش (Bur57). هٰذِهِ الفَتْرَةِ الرائِدَةِ - الَّتِي يُمْكِن العُثُورِ عَلَى حِسابِ لَها فِي (Kra96) - أَسَّسَت الصُورَةِ الأَساسِيَّةِ الَّتِي تَرِي العَناصِرِ الخَفِيفَةِ الأَرْبَعَةِ \(^2\)H، \(^3\)He، \(^4\)He وَ \(^7\)Li كَمُنْتَجات لِلكُرَةِ النارِيَّةِ المُبَكِّرَةُ، وَتَقْرِيباً كُلِّ الباقِي يَتِمّ إِنْتاجُهُ فِي النُجُومِ أَو كَنَتِيجَةٍ لَاِنْفِجارات النُجُومِ.
فِي العُقُودِ التالِيَةِ، تَطَوُّرِ التَأْكِيدُ عَلَى الدَوْرِ الَّذِي يَلْعَبه تخليق الاِنْفِجارِ العَظِيم النَوَوِيِّ بِشَكْلٍ مَلْحُوظٍ. فِي السِينارِيو الأَبْسَط، المُعَلِّماتُ الحُرَّةِ الوَحِيدَةُ فِي التخليق النَوَوِيِّ البِدائِيُّ هِيَ نِسْبَةَ الباريون إِلَى الفوتون \(\eta\) (أَو بِمَعْنَى آخَرِ، كَثافَةُ الباريون فِي الكَوْنِ) وَالجُهُودِ الكِيمِيائِيَّةِ للنيوترينو، \(\mu_{\nu_\alpha}\). وَمَعَ ذٰلِكَ، فَإِنَّ الجُهُودِ الكِيمِيائِيَّةِ للنيوترينو الَّتِي تَزِيد عَن \(\eta\) بِعِدَةِ أَوامِر مِن الحَجْمِ لَها تَأْثِيراتِ مَلْحُوظَةٌ. هٰذا هُوَ السَبَبِ فِي أَنَّ الحالَةِ البَسِيطَةِ الَّتِي يُفْتَرَض فِيها أَنَّ جَمِيعِ \(\mu_{\nu_\alpha}\)’s صَغِيرَةٌ لِلغايَةِ (عَلَى سَبِيلِ المِثالِ، مِن نَفْسِ تَرْتِيبَ \(\eta\)) يُشار إِلَيها عادَةً بِاِسْمِ تخليق الاِنْفِجارِ العَظِيم النَوَوِيِّ القِياسِيَّ. وَمَعَ ذٰلِكَ، مِن المُعْتادُ إِضافَةً إِلَى \(\eta\)، كَمُعَلِّمَةٍ إِضافِيَّةً، ما يُسَمَّى بالعَدَدَ الفَعّالَ للنيوترينو، \(N_{\rm eff}\)، الَّذِي يَقِيس كَمِّيَّةِ الدَرَجاتِ الحَرارِيَّةِ النِسْبِيَّةِ فِي وَقْتٍ تخليق الاِنْفِجارِ العَظِيم النَوَوِيِّ.
الهَدَفَ مِن التَحْلِيلِ النَظَرِيّ لِلنَوَوِيَّة الكَبِيرَةِ هُوَ الحُصُولِ عَلَى تَقْدِيرٍ مَوْثُوقٌ لَمُعامَلات النَمُوذَجِ، بِمُجَرَّدِ مَعْرِفَةُ البَياناتِ التَجْرِيبِيَّة عَن الوَفْرَة البِدائِيَّةِ. فِي هٰذا القِسْمِ، سَنَنْظُر فَقَط فِي حالَةِ النَوَوِيَّةِ الكَبِيرَةِ القِياسِيَّةِ، حَيْثُ المُعامِلانِ الحُرّانِ الوَحِيدانِ هُما قِيمَةَ مَعامِلِ كَثافَةُ الطاقَةِ للباريونات \(\Omega_B h^2\) (أَو بِشَكْلٍ مُكافِئ، كَثافَةُ عَدَدٍ الباريونات إِلَى الفوتونات، \(\eta\)) وَرُبَّما، قِيمَةَ غَيْرِ قِياسِيَّةٍ لِمُحْتَوَى الطاقَةِ النِسْبِيَّةِ خِلالَ النَوَوِيَّةِ الكَبِيرَةِ. الأَخِيرِ، بُعْدَ إِبادَةٍ \(e^\pm\)، يُمْكِن تَعْرِيفه مِن حَيْثُ العَدَدَ الفَعّالَ للنيوترينوات _R = ( 1 + ( )^4/3 ) _[defneff] كَما هُوَ مَعْرُوفٌ جَيِّداً، يُمْكِن أَنَّ يَخْتَلِف \(\neff\) عَن الصِفْرِ أَيْضاً عَبْرَ المُصْطَلَحاتِ غَيْرِ المُتَوازِنَة حَرارِيّا الَّتِي تُمَيِّز تَوْزِيعات النيوترينو الباقِيَةِ. نَعْرِض فِي الشَكْلِ [fig:finalfnu] القِيَمِ النِهائِيَّةِ لِتَوْزِيعِ النيوترينو بِنَكْهَة، سَواءُ بِدُونِ تَذَبْذُبات أَو مَعَ تَذَبْذُبات غَيْرِ صِفْرَيْهِ. تُظْهِر الاعتماديه لِلتَشَوُّهات غَيْرِ الحَرارِيَّةِ فِي الزَخِمِ بِوُضُوحٍ، مِمّا يَعْكِس حَقِيقَةِ أَنَّ النيوترينوات الأَكْثَرَ طاقَةِ كانَت تَتَفاعَل مَعَ \(e^{\pm}\) لِفَتْرَةٍ أَطْوَلِ. عِلاوَةً عَلَى ذٰلِكَ، فَإِنَّ تَأْثِيرِ تَذَبْذُبات النيوترينو واضِحٍ، مِمّا يُقَلِّل الفِرَقِ بَيِّنَ تَشَوُّهات النيوترينو بِنَكْهَة. تَتَوَفَّر صِيَغٍ تَرْكِيبَيْهِ لِهٰذِهِ التَوْزِيعات فِي (Mangano:2005cc).
فِي الجَدْوَلُ [tab:neffyp] نُقَدِّم تَأْثِيرِ عَدَمِ التَفَكُّكِ الفَوْرِيِّ للنيوترينو عَلَى كَثافَةُ الطاقَةِ الإِشْعاعِيَّة، \(\neff\)، وَعَلَى كَسْرِ كُتْلَةِ \(^4\)He. مِن خِلالَ أَخَذَ تَذَبْذُبات النيوترينو فِي الاِعْتِبارِ أَيْضاً، يَجِد المَرْء تَغْيِيراً عالَمِيّاً لِ \(\Delta Y_p\simeq 2.1{\times} 10^{-4}\) وَالَّذِي يَتَّفِق مَعَ النَتائِجِ فِي (Han01) بِسَبَبِ إِدْراجِ تَأْثِيراتِ الديناميكا الكموميه الكهرومغناطيسيه. وَمَعَ ذٰلِكَ، فَإِنَّ التَأْثِيرِ الصافِي بِسَبَبِ التَذَبْذُبات أَصْغَرِ بِحِوالِي ثَلاثِ مَرّاتٍ مِمّا كانَ مُقَدَّراً سابِقاً، بِسَبَبِ فَشَلِ التَقْرِيبِ المُتَوَسِّطِ لِلزَخِم فِي تَكْرارِ التَشَوُّهاتِ الحَقِيقِيَّةِ.
عَلَى وَجْهِ الخُصُوصِ، \(\neff\) المَذْكُورِ فِي الجَدْوَلُ [tab:neffyp] هُوَ مُساهَمَةً النيوترينوات فِي مِيزانَيْهِ الطاقَةِ الإِشْعاعِيَّة بِأَكْمَلِها، وَلٰكِن فَقَط فِي نِهايَةِ تُفَكِّك النيوترينو. وَبِالتالِي، لَن تسا Contributing to BBN processes. In order to clarify this subtle point, we report in Table [tab:nuclides] the effect on all light nuclides, of the non instantaneous neutrino decoupling in the simple scenario of no neutrino oscillation, and compare this column with the simple prescription of adding a fix \(\Delta \neff = 0.013\) contribution to radiation. Even though \(Y_p\) is reproduced (by construction), this is not the case for the other nuclear yields.
| Nuclide | Exact | Fixed |
| (No \(\nu\)-oscillations) | \(\Delta \neff = 0.013\) | |
| \(\Delta Y_p\) | \(1.71{\times} 10^{-4}\) | \(1.76{\times} 10^{-4}\) |
| \(\Delta\)(\(^2\)H/H) | \(-0.0068{\times} 10^{-5}\) | \(+0.0044{\times} 10^{-5}\) |
| \(\Delta\)(\(^3\)He/H) | \(-0.0011{\times} 10^{-5}\) | \(+0.0007{\times} 10^{-5}\) |
| \(\Delta\)(\(^7\)Li/H) | \(+0.0214{\times} 10^{-10}\) | \(-0.0058{\times} 10^{-10}\) |
Similar analysis have been recently presented by various groups, which might be slightly different depending on the adopted values of \(Y_p\) and/or \(^2\)H/H experimental determination, see e.g. (Lis99,Bur99b,Esposito:2000hh,Bar03a,Cuo04,Cyb03c,Cyb04,Cyb05,Han02,Man07,Sim08b).
مَصْفُوفه التَغايُر، W_ij() = [ _ij^2 + _i,exp^2 _ij + _ij,other^2 ]^-1 حَيْثُ \(\sigma_{ij}\) وَ \(\sigma_{i,exp}\) تُمَثِّلانِ عَدَمِ اليَقِينِ فِي مُعَدَّلاتِ النَوَوِيَّةِ وَعَدَمِ اليَقِينِ التَجْرِيبِيُّ لِوَفْرَةِ النيوكليد \(X_i\) عَلَى التَوالِي (نَسْتَخْدِم عَدَمِ اليَقِينِ فِي مُعَدَّلاتِ النَوَوِيَّةِ كَما فِي المَرْجِعِ (Ser04b)), بَيْنَما نَعْبُر عَن \(\sigma_{ij,other}^2\) بِأَنَّها مَصْفُوفه الخَطَأ المُرَبَّعِ المُنْتَشِرِ بِسَبَبِ جَمِيعِ عَدَمِ اليَقِينِ فِي المُعامَلاتِ الأُخْرَى (\(\tau_n\)، \(G_{\rm N}\)، آلخ).
نَعْتَبِر أَوَّلاً وَفْرَةِ \(^2\)H بِمُفْرَدِها، لِتَوْضِيحِ دَوْرِ الديوتيريوم كَمِقْياس باريومتري مُمْتازٌ. فِي هٰذِهِ الحالَةِ، تَمَّ العُثُورِ عَلَى أَفْضَلَ القِيَمِ المتوافقه هِيَ \(\Omega_B h^2 = 0.021\pm 0.001\) (\(\eta_{10} = 5.7 \pm 0.3\)) عِنْدَ مُسْتَوَى الثِقَةِ 68%، وَ \(\Omega_B h^2 = 0.021 \pm 0.002\) عِنْدَ مُسْتَوَى الثِقَةِ 95%. يُمْكِن إِجْراءِ تَحْلِيلِ مُماثِلٍ بِاِسْتِخْدامِ \(^4\)He. فِي حالَةِ الأَخْذِ بِعَيْنِ الاِعْتِبارِ خَطَأ إِحْصائَيَّ فَقَط نَحْصُل عَلَى \(\Omega_B h^2 = 0.021^{+0.005}_{-0.004}\) (\(\eta_{10} = 5.7^{+1.4}_{-1.1}\)) عِنْدَ مُسْتَوَى الثِقَةِ 68%، وَ \(\Omega_B h^2 = 0.021^{+0.010}_{-0.006}\) عِنْدَ مُسْتَوَى الثِقَةِ 95%. عِنْدَما نَأْخُذ فِي الحُسْبانِ أَكْبَرَ خَطَأ مَنْهَجِيٍّ مُمْكِنٍ عَلَى \(Y_p\)، يُصْبِح تَحْدِيدِ \(\Omega_B h^2\) مُهَيْمِنا أَكْثَرَ بِواسِطَةِ الديوتيريوم. عَلَى أَيّ حالِ، النَتِيجَةُ متوافقه عِنْدَ 2-\(\sigma\) مَعَ نَتِيجَةَ WMAP لِمُدَّةِ 5 سَنَواتٍ \(\Omega_B h^2 = 0.02273 \pm 0.00062\) (Dun08). قَد يَكُون الاِخْتِلافِ الطَفِيف لَهُ بِعَضِّ التَأْثِيرِ عَلَى التَحْدِيدِ مِن تَقَلُّباتِ CMB لَمُؤَشَّر الاِضْطِرابِ العَدَدِيِّ الأُولَى \(n_s\)، كَما لُوحِظَ فِي (Pet08)، حَيْثُ يَسْتَخْدِم تَحْدِيدِ BBN لِ \(\Omega_B h^2\) مِن الديوتيريوم كَأَساسٍ فِي تَحْلِيلِ بَياناتٍ خَمْسِ سَنَواتٍ مِن WMAP.
فِي الجَدْوَلُ [table:sbbn] نُقَدِّم قِيَمِ بِعَضِّ الوفرات النَوَوِيَّةِ ذاتِ الصِلَةِ لِثَلاثِ كثافات باريونيه مُخْتَلِفَةٍ، تَمَّ تَقْيِيمها بِاِسْتِخْدامِ PArthENoPE (Par08). لاحَظَ التَنَبُّؤ المُنْخَفَض جِدّاً لِ \(^6\)Li وَأَنَّهُ، لِهٰذِهِ القِيَمِ مِن كَثافَةُ الباريونات، يَتِمّ إِنْتاجِ مُعْظَمَ \(^7\)Li بِواسِطَةِ \(^7\)Be عَبْرَ عَمَلِيَّةِ الاِلْتِقاط الإِلِكْترُونِيّ النِهائِيَّةِ.
إِذا تَمَّ تَخْفِيفِ فَرْضِيَّةَ وُجُودِ عَدَدٍ قِياسِيٌّ مِن دَرَجاتٍ الحُرِّيَّةِ النِسْبِيَّةِ، فَمِن المُمْكِنِ الحُصُولِ عَلَى حُدُودِ عَلَى أَكْبَرَ (أَو أَصْغَرِ) كَمِّيَّةِ مِن الإِشْعاع المَوْجُودِ فِي عَصْرَ BBN، عَلَى شَكْلٍ جَسِيمات نِسْبِيَّةٌ مُنْفَصِلَةٍ، أَو خَصائِصِ غَيْرِ قِياسِيَّةٍ للنيوترينات النَشِطَةِ.
المُعَلِّمَةُ “الكلاسِيكِيَّةِ” المُقَيَّدَة بِواسِطَةِ النَمُوذَجِ النَوَوِيِّ الكَبِيرِ هِيَ نِسْبَةَ الباريون إِلَى الفوتون، \(\eta\)، أَو بِما يعادلها وَفْرَةِ الباريون، \(\Omega_B h^2\). فِي الوَقْتِ الحالِيَّ، يُهَيْمِن القَيْد عَلَى تَحْدِيدِ الديوتيريوم، وَنَجِد أَنَّ \(\Omega_B h^2=0.021\pm 0.001\)(1 \(\sigma\)). هٰذا التَحْدِيدِ متوافق مَعَ الحَدِّ الأَعْلَى لِلهِيلِيُوم البِدائِيُّ \(^3\)He/H (الَّذِي يُوَفِّر حَدا أَدَّنِي لِ \(\eta\))، وَكَذٰلِكَ مَعَ النِطاقِ الَّذِي اِخْتارَتْهُ تَحْدِيدات \(^4\)He، وَالَّتِي تُهْمَل الأَخْطاءِ المَنْهَجِيَّة وَتَوَفُّرُ قَيْداً أَضْعَفَ ب 5 مَرّاتٍ. التَوافُقُ ضِمْنَ 2 \(\sigma\) مَعَ تَحْدِيدِ WMAP، \(\Omega_B h^2=0.02273\pm 0.00062\)، يُمَثِّل نَجاحاً مَلْحُوظاً لِلنَمُوذَج الكَوْنِيّ القِياسِيَّ. مِن ناحِيَةٍ أُخْرَى، بِاِسْتِخْدامِ هٰذِهِ القِيمَةِ كَمَدْخَلٍ، يَظَلّ هُناكَ تُناقِض بِمَعامِل \(\sim 3\) مَعَ تَحْدِيدات \(^7\)Li، وَالَّتِي يَصْعُب التَوْفِيقَ بَيِّنَها حَتَّى مَعَ أَخَذَ مِيزانَيْهِ خَطَأ مُحافَظَةِ فِي الاِعْتِبارِ فِي كُلِّ مِن المُلاحَظاتِ والمدخلات النَوَوِيَّةِ. أَكْثَرَ إِثارَةِ لِلحَيْرَةِ هِيَ بِعَضِّ الكُشُوفات عَن آثارِ \(^6\)Li بِمُسْتَوَى يَفُوق بِكَثِيرٍ المُسْتَوَى المُتَوَقَّعِ مِن النَمُوذَجِ النَوَوِيِّ الكَبِيرِ القِياسِيَّ. كُلّاً النَظِيرَيْنِ يُشِيرانِ إِلَى أَنَّ مُلاحَظاتهما الحالِيَّةِ لا تَعْكِس قِيَمهما البِدائِيَّةِ، وَبِالتالِي يَجِب اِسْتِبْعادهما لِأَغْراضٍ كُونِيهِ، أَو أَنَّ الكونولوجيا المُبَكِّرَةُ أَكْثَرَ تَعْقِيداً وَأَثارَهُ مِن النَمُوذَجِ النَوَوِيِّ الكَبِيرِ القِياسِيَّ. لا يُمْكِن لا عَدَدٍ غَيْرِ قِياسِيٌّ مِن دَرَجاتٍ الحُرِّيَّةِ الخالِيَةِ مِن الكُتْلَةِ فِي البلازما (المُعَلِّمَةُ عَبْرَ \(\neff\)) وَلا تَناظَرَ اللبتون \(\xi_e\) (جَمِيعِ التَناظُرات مُفْتَرَضَةٍ مُتَساوِيَةً) أَنَّ تُوَفَّق التَناقُضَ. القُيُودِ الحالِيَّةِ عَلَى كُلّاً الكَمِّيَّتَيْنِ تَأْتِي أَساساً مِن قِياسُ \(^4\)He، \(\neff=3.0\pm 0.3_{\rm stat}\,(2\,\sigma)\pm 0.3_{\rm syst}\) وَ \(\xi_e=0.004\pm 0.017_{\rm stat}\,(2\,\sigma)\pm 0.017_{\rm syst}\).