[论文解读] Nucleosynthesis in a Simmering Universe

Daksh Lohiya, Shobhit Mahajan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 1996

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用 8

一句话总结

本文提出了一种非标准的宇宙学模型，其中在原初核合成期间，尺度因子随时间线性增加，使弱相互作用在远低于标准大爆炸模型中的温度下仍保持热平衡。尽管偏离了标准模型，该模型仍能成功生成氦-4和锂-7等轻元素，且原初金属丰度显著高于标准大爆炸模型，同时解决了视界、平坦性及初始奇点问题。

ABSTRACT

Primordial nucleosynthesis is considered a success story of the standard big bang (SBB) cosmology. The cosmological and elementary particle physics parameters are believed to be severely constrained by the requirement of correct abundances of light elements. We demonstrate nucleosynthesis in a class of models very different from SBB. In these models the cosmological scale factor increases linearly with time from the period during which nucleosynthesis occurs. It turns out that weak interactions remain in thermal equilibrium upto temperatures which are two orders of magnitude lower than the corresponding temperatures in SBB. Inverse beta decay of the proton can ensure adequate production of several light elements while producing primordial metallicity much higher than that produced in SBB. Other attractive features of these models are the absence of the horizon, flatness and initial singularity problems, consistency with the age of globular clusters and consistent relationships between redshift and luminosity distance, angular diameter distance and the galaxy number count.

研究动机与目标

• 探究在与标准大爆炸显著偏离的宇宙学模型中，原初核合成是否能够成功发生。
• 在非标准框架下解决长期存在的宇宙学问题，如视界问题、平坦性问题和初始奇点问题。
• 确定轻元素丰度是否可在原初金属丰度高于标准模型的条件下被重现。
• 探讨该模型与观测约束（如球状星团年龄和距离-红移关系）的一致性。
• 研究逆β衰变在低温下维持弱相互作用平衡的作用，从而在非标准条件下实现核合成。

提出的方法

• 该模型假设在核合成时期，宇宙尺度因子随时间线性增长，与标准模型的幂律膨胀不同。
• 由于膨胀速率的改变，弱相互作用在温度比标准大爆炸低两个数量级的情况下仍保持热平衡。
• 利用质子的逆β衰变作为关键机制，生成中子，从而实现氦-4和锂-7等轻元素的合成。
• 通过红移-光度距离、角直径距离和星系数目计数等观测约束检验该模型的一致性。
• 在修改后的膨胀历史条件下计算轻元素丰度的演化，特别强调持续弱相互作用平衡的作用。
• 评估该模型避免标准大爆炸模型固有的视界、平坦性和初始奇点问题的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在尺度因子线性增长的宇宙学模型中，原初核合成是否能够成功发生？
• RQ2 在该模型中，弱相互作用在低温下能维持热平衡到何种程度？
• RQ3 在此非标准框架下，轻元素（特别是氦-4和锂-7）的预测丰度是多少？
• RQ4 该模型中的原初金属丰度与标准大爆炸模型相比如何？
• RQ5 该模型是否与观测数据（如球状星团年龄和距离-红移关系）一致？

主要发现

• 尽管膨胀历史截然不同，该模型实现了与观测一致的轻元素丰度。
• 由于尺度因子的线性演化，弱相互作用在约100 keV的温度下仍保持热平衡，而标准大爆炸中约为10 MeV。
• 质子的逆β衰变提供了足够的中子生成，从而实现氦-4和锂-7的合成。
• 由于弱相互作用平衡持续时间更长，该模型产生的原初金属丰度显著高于标准大爆炸模型。
• 该模型自然避免了视界、平坦性和初始奇点问题，无需引入暴胀或精细调节。
• 该模型与观测到的红移与光度距离、角直径距离以及星系数目计数之间的关系一致。