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一口气搞懂︱从世界诞生到未来,氢元素的含量会发作怎样的改变?

admin 2019-09-06 303人围观 ,发现0个评论

咱们深化世界,把恒星、星系和整个时空看作一个全体,从已知到不知道,咱们不断考虑,终究的愿望是想弄清楚:这全部的全部是怎么回事!现在咱们所把握的常识,让咱们一遍又一遍的考虑世界中最小的部分是如安在最大的标准上进化的。

咱们都知道大爆炸后世界赋予了咱们第一批物质资源,那便是咱们熟知的氢。这种最简略的元素阅历了一次又一次的恒星聚变,超新星迸发,中子星磕碰产生了咱们已知的周期表上的全部元素,也构成了万物!所以问题来了:咱们的世界会不会耗尽氢元素?在未来氢元素的原子量或质量会剩余多少?咱们的世界会不会无法构成新的恒星,而中止核聚变?

(关于轻元素的来源和铁今后重元素的来源进程,感兴趣的小同伴戳衔接哈:一口气搞懂︱金元素以及全部重元素的身世之谜

世界大爆炸之后发作了什么?

关于氢问题的评论,就必须从可观测世界的来源:大爆炸自身开端说起!

世界诞生于一团真空能量,是真空能量的不安稳导致了世界发作暴胀,而且启动了所谓的大爆炸。当世界暴胀完毕时,全部被锁定为空间自身固有能量之外的能量都转化为物质、反物质和辐射,咱们传统上以为的可观测世界就开端了。

世界前期,也便是暴胀完毕后,空间充满了由超相对论粒子组成的又热又密的物质辐射浓汤,在随后世界的胀大中空间开端冷却,跟着时刻的推移胀大速度也大大减慢,物质战胜了反物质,夸克和胶子集合在一起构成了自在的质子和中子,这全部都发作在比质子和中子多得多的辐射海洋中,而质子和中子将构成咱们日常所说的“正常物质”。

从大爆炸开端后的一秒钟,咱们今日能够观测到的世界中包括了大约10^9一口气搞懂︱从世界诞生到未来,氢元素的含量会发作怎样的改变?0个辐射粒子,还剩余大约10^80个质子和中子(大约各占一半)。大多数中子要么经过抓获中微子转化为质子,要么经过放射性衰变转化为质子,到世界构成三分钟多一点的时分,剩余的中子将与质子交融,构成少数的氦。(由于中子自身就不安稳,不能独自存在,很简略衰变为质子)

到世界诞生四分钟时,按数量核算的话,92%的原子核是氢,剩余8%是氦。(假如把这些原子按质量分类,氦的质量通常是氢的四猴交配倍,那么质量份额便是是75%/25%。)

在更长的时刻里,世界持续冷却,在几十万年后构成中性原子,然后在数百万年之后,这些中性原子冷却在引力的效果下开端缩短,构成巨大的分子气体云。虽然电磁力和引力在这段时刻里产生了巨大的影响,构成了中性原子、恒星、星系乃至是世界的大标准结构。

但只需核反应才干改动原子的类型(再电离)。所以就氢而言,这段时刻没有什么改变,氢依然是氢。直到第一颗恒星构成的时分...

世界的元素锻造厂就开端工作了

要成为一颗真实的恒星,它的主要特征是在其中心将较轻的元素交融成较重的元素。这种核聚变进程只需在巨大的温度、压力和高密度下才会发作,至少有数万地球质量的氢集合在一个单一的捆绑结构中。当中心温度超越400万开尔文时,核聚变就开端了,第一阶段的聚变是将单质子(氢原子),在核链上聚变为氦(这个进程其实仍是挺绵长和杂乱的,想了解的同伴戳链接:一口气搞懂太阳的聚变进程,本来核物理如此简略),今日的焦点是氢,所以就不赘述了。

一个恒星要用多长时刻才干把氢“吃光”,最大的决定因素其实是适当简略的:恒星的质量

关于质量最大的恒星,例如:质量是太阳质量数百倍的恒星(如上图中最亮、最蓝的恒星),它们中心焚烧氢的速度快得令人窒息,这种恒星最多只需求几百万年的时刻就能够把自己的氢嚯嚯完。可是世界中这些O级恒星十分稀有,只占全部恒星的0.1%不到,但它们是整个世界中最亮、最亮的恒星,也是世界中氢耗费最快的当地。

另一方面,质量最低的恒星,也便是主序m级恒星,在焚烧彻底部的氢之前,或许会存在几百亿乃至上万亿年(是现在世界年纪的1000多倍)。表面上看,这好像并不那么重要,但别忘了m级恒星是世一口气搞懂︱从世界诞生到未来,氢元素的含量会发作怎样的改变?界中最常见的恒星类型;今日活着的四颗恒星中就有三颗是m级恒星!

你或许会以为,考虑到在曩昔138亿年的时刻里有多少代恒星工厂的诞生和逝世,考虑到地球上和整个太阳系中存在着很多比氢重的元素,今日的世界中氢的数量会少得多。

但现实并非如此。

咱们的太阳其实最具有代表性了,不大也不小,而且归于第三代恒星,之间现已有恒星在咱们这儿生计过。太阳是在世界超越90亿年的时分在螺旋星系的平面上构成的,螺旋星系是世界中最遍及的星系。可是,当咱们的太阳构成时,它依然由(按质量计)71%的氢、27%的氦和大约2%的“其他”物质组成。

假如咱们把质量转换成“原子数”,并将太阳视为世界中恒星的代表和典型,这意味着在世界开始的93亿年里,氢的份额从92%下降到91.1%

便是这样。氢含量改变怎么会如此细小呢?

咱们需求搞清楚的是:恒星的构成一般都是星团呈现的,一个星团包括数百、数千颗恒星,咱们的太阳也不破例!恒星终究一口气搞懂︱从世界诞生到未来,氢元素的含量会发作怎样的改变?都会互相别离,而且独立出去!

当分子云坍缩构成恒星时,只需初始云质量的5- 10%终究构成恒星。剩余的绝大多数被最早构成的大质量恒星宣布的辐射吹回到星际介质中。

除此之外,全部比M级恒星重的恒星在胀大成红巨星之前只能焚烧其总燃料的10%。关于质量最低的(M级)恒星,由于“焚烧”的满足慢,整个恒星有时刻发作物质对流,将焚烧的燃料从中心移动到外层,并将未焚烧的氢移动到中心持续焚烧;像比邻星这样的恒星终究会将100%的氢转化为氦,这个进程需求几万亿年的时刻。

可是每一颗归于较重类别的恒星将焚烧其10%的氢燃料,死于超新星或行星状星云(红巨星后会阅历这个阶段),并将绝大部分未焚烧的燃料又返回到星际介质中。

可是世界中的星系正在部分结构中渐渐的兼并,例如:银河系和仙女星系兼并后会横扫周围的小星系(巨细麦哲伦星系),星系的兼并会构成很多的恒星迸发!

这些恒星迸发的越强烈,实际上就有越多的氢被彻底从星系中排出,抛入到星系空间中!此刻,世界中大约50%的氢底子不与任何星系结合,仅仅占有了星系之间的空间,很或许再也不会构成恒星。最重要的是,在世界的历史上,总的恒星构成率现已大幅下降;从最大值来看,现在世界构成新恒星的速度只需曾经的3%。

星系兼并后依然是捆绑结构,而且在悠远的未来将持续具有十分很多的氢。可是很或许不会用今日占主导地位的机制发明出新的恒星,咱们其实能够想到,像太阳这样的三代恒星逝世后,基本就终结了!所以要构成新的恒心就需求有新的机制来主导!

但咱们估量在数万亿年内(是现在世界年代的数百或数千倍),或许会有更长的时刻都会呈现新的恒星,仅仅恒星构成的速度会更慢!

总结:只需世界还在,氢永久占主导地位

到时世界会变暗,但不会是由于氢耗尽。相反,这是由于剩余的氢不能结合在满足大的分子云中构成更多的恒星。

这仅仅一个估量,在未来按原子的数量来说,世界中氢的含量会降到80%以下。换句话说,咱们将会构成很多的氦和很多较重的元素,可是在任何时分,即便咱们把理论的时钟运转到无限远,世界也将永久主要是氢。从质量上来说,世界终究或许会存在不到50%的氢。

80%、50%你或许想知道这个数字有多精确,惋惜的是咱们没有满足的理论或核算才能去必定的说便是这个数,咱们也没有满足长的时刻去一向调查世界的开展。

可是据咱们所知,能够必定的说:氢开始是世界中最丰厚的元素,只需世界还存在,它就会一向坚持这种状况。

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