Водород был первым созданным элементом, но сейчас его меньше, чем когда-либо.
«Если бы человеческое состояние было таблицей Менделеева, возможно, любовь была бы водородом под номером 1». - Дэвид Митчелл
Иногда вопросы, которые мы выбираем для нашей еженедельной рубрики «Спросите Итана», касаются явлений здесь, на Земле, от человеческих забот, таких как образование, до инженерных работ и физического состояния самой планеты. Но в другие недели мы уходим далеко во Вселенную и рассматриваем звезды, галактики или всю Вселенную в целом, от известного до непознаваемого. Вы все продолжали присылать свои вопросы и предложения, и выбранная на этой неделе запись исходит от Франклина Джонстона, который просит нас подумать о том, как некоторые из мельчайших частиц Вселенной эволюционировали в самых больших (и самых длинных) масштабах:
Каковы наши текущие представления о том, сколько водорода первоначально образовалось после Большого взрыва и что с ним произошло с тех пор? Я хотел бы знать, сколько в настоящее время находится в звездах, сколько было преобразовано в более тяжелые элементы, сколько в планетах, лунах и кометах, сколько в межзвездном пространстве, сколько в межгалактическом пространстве и в любом другом месте, где я могу проглядели.
Есть только один способ начать - начать с самого начала наблюдаемой Вселенной, какой мы ее знаем: с самого Большого Взрыва!
Когда закончилась космическая инфляция и вся энергия, которая была заперта как энергия, присущая самому пространству, превратилась в материю, антиматерию и излучение, началось то, что мы традиционно считаем нашей наблюдаемой Вселенной. Полный горячего, плотного супа из ультрарелятивистских частиц, он начал остывать по мере расширения, и скорость расширения со временем сильно замедлилась. Материя победила антиматерию (а остальные аннигилировали), и кварки и глюоны объединились, чтобы сформировать свободные протоны и нейтроны, и все это среди моря излучения, гораздо более многочисленного, чем протоны и нейтроны, которые составят основную часть того, что мы знаем как «нормальную материю» в нашем повседневном языке.
Ко времени, когда с момента начала горячего Большого взрыва прошла одна секунда, часть Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня, содержала около 10^90 частиц излучения, а также около 10^80 протонов и нейтронов (расщепленных примерно 50/50) осталось. Большинство нейтронов либо превращались в протоны в результате нейтринного захвата, либо в результате радиоактивного распада, и к тому времени, когда Вселенной исполнилось чуть более трех минут, оставшиеся нейтроны сливались вместе с протонами, образуя гелий.
К тому времени, когда Вселенной исполнилось четыре минуты, 92% всех атомных ядер по количеству составляли атомы водорода, а остальные 8% - гелий.(Если бы вместо этого вы классифицировали эти атомы по массе, учитывая, что гелий обычно в четыре раза массивнее водорода, расщепление больше похоже на 75%/25%.)
В течение еще большего времени Вселенная продолжала остывать, образуя нейтральные атомы через несколько сотен тысяч лет, а затем - в течение миллионов лет - эти нейтральные атомы охлаждались и сжимались, образуя гигантские молекулярные газовые облака. Хотя электромагнитные и гравитационные силы в это время оказывают интересное воздействие, для изменения типа атома требуется ядерная реакция. Так что ничего не меняется за это время в том, что касается водорода. То есть, конечно, пока не сформируются первые звезды.
Каждый раз, когда вы создаете настоящую звезду, ее определяющей особенностью является то, что в ее ядре начинается слияние более легких ядер с более тяжелыми. Этот процесс ядерного синтеза происходит только при огромных температурах, давлениях и высоких плотностях, когда по меньшей мере десятки тысяч земных масс водорода объединяются в единую связанную структуру. Когда температура ядра превышает примерно четыре миллиона Кельвинов, может начаться синтез, и первая стадия синтеза - это одиночные протоны - ядра, определяющие водород - прокладывающие свой путь вверх по ядерной цепочке, чтобы в конечном итоге сформировать гелий. Позже могут произойти и другие реакции, но сегодня основное внимание уделяется водороду.
Сколько времени нужно, чтобы поглотить этот водород? Важнейший определяющий фактор, хотите верьте, хотите нет, на самом деле довольно прост: масса звезды, когда она впервые формируется.
Для звезд с самой большой массой, в сотни раз превышающих массу нашего Солнца (например, самых ярких и голубых звезд, показанных выше), их ядра невероятно быстро сжигают водород, используя его. максимум за несколько миллионов лет. Эти звезды O-класса очень редки, составляя менее 0,1% всех звезд, но они являются самыми яркими и яркими звездами во всей Вселенной, а также местом, где Вселенная быстрее всего израсходовала свой водород.
С другой стороны, звезды с наименьшей массой - звезды M-класса главной последовательности слишком тусклые, чтобы быть видимыми даже на изображении Хаббла выше - могут жить десятки или даже сотни триллионов лет (более в 1000 раз больше нынешнего возраста Вселенной), прежде чем они сожгут весь свой водород. На первый взгляд это может показаться не таким уж важным, но не забывайте, что звезды М-класса на сегодняшний день являются самым распространенным звездным типом во Вселенной; три из каждых четырех звезд, живущих сегодня, являются звездами М-класса!
Вы можете подумать, что, учитывая все поколения звезд, которые жили и умирали за последние 13,82 миллиарда лет, и учитывая огромное изобилие элементов тяжелее водорода здесь, на Земле, и во всей Солнечной системе, сегодня во Вселенной было бы намного меньше водорода.
Но это просто не так.
Наше Солнце значительно обогащено, сформировавшись, когда Вселенной было более 9 миллиардов лет, в плоскости спиральной галактики, одного из самых обогащенных мест во Вселенной. Тем не менее, когда формировалось наше Солнце, оно все еще состояло из - по массе - 71% водорода, 27% гелия и примерно 2% "другого" вещества. Если мы преобразуем это в «количество атомов» и будем считать Солнце типичным представителем Вселенной, это означает, что за первые 9,3 миллиарда лет существования Вселенной доля водорода уменьшилась с 92% до 91,1%.
Вот и все. Так почему же это изменение такое крошечное?
Когда молекулярное облако коллапсирует, образуя звезды, только от 5 до 10% массы исходного облака превращается в звезды. Подавляющее большинство остальных выбрасывается обратно в межзвездную среду ультрафиолетовым излучением горячих звезд, которые формируются раньше всех.
И, кроме того, все звезды тяжелее звезд М-класса сжигают только около 10% своего общего топлива, прежде чем превратиться в красного гиганта. Для звезд с наименьшей массой (класса М) «сгорание» происходит достаточно медленно, чтобы вся звезда успевала конвектировать, перемещая сгоревшее топливо из ядра во внешние слои и перемещая несгоревший водород в ядро; такая звезда, как Проксима Центавра, в конечном итоге превратит 100% своего водорода в гелий, и этот процесс займет несколько триллионов лет.
Но каждая звезда, принадлежащая к более тяжелому классу, сожжет всего 10% своего водородного топлива, погибнет либо в виде сверхновой, либо в планетарной туманности, и вернет подавляющее большинство своего несгоревшего топлива обратно в межзвездную среду..
И все же среди всего этого галактики сливаются и проходят интенсивные периоды звездообразования, когда это происходит, известные как звездообразования.
Но чем мощнее эти звездообразования, тем больше водорода на самом деле полностью выбрасывается из галактики в межгалактическую среду! На данный момент около 50% водорода во Вселенной вообще не связано с какой-либо галактикой, а скорее занимает пространство между галактиками и, скорее всего, никогда больше не будет образовывать звезды. Вдобавок ко всему этому, общая скорость звездообразования за всю историю Вселенной значительно снизилась; от своего максимума, скорость, с которой Вселенная формирует новые звезды, составляет всего 3% от того, что было раньше.
И тем не менее, галактики остаются связанными структурами и будут содержать очень большое количество водорода в далеком будущем. Хотя, скорее всего, новые звезды не будут создаваться с помощью того же механизма, который преобладает сегодня, мы ожидаем, что новые звезды будут существовать в течение многих триллионов лет (в сотни или тысячи раз больше нынешнего возраста Вселенной) и, возможно, значительно дольше..
Вселенная потемнеет, но не потому, что в ней закончился водород. Скорее, это произойдет потому, что оставшийся водород не сможет соединиться в достаточно большом молекулярном облаке, чтобы образовать новые звезды. Это всего лишь оценка, но я сомневаюсь, что - количество атомов количество водорода во Вселенной когда-либо упадет ниже 80%. Другими словами, мы собираемся образовать много гелия и большое количество более тяжелых элементов, но в любой момент времени, даже если мы доведем теоретические часы до бесконечности, Вселенная всегда будет состоять в основном из водорода. (Что не должно вызывать удивления: по количеству атомов вы в основном водород!)
По массе мы можем получить менее 50% Вселенной в виде водорода, особенно из-за больших галактик и скоплений галактик. Дело в том, что когда возраст Вселенной в миллионы раз превышает ее нынешний возраст, мы вполне ожидаем, что новые звезды все еще будут формироваться, но совершенно по другому механизму, путем коллапса молекулярных облаков, масса которых в миллионы раз превышает массу Солнца.
Будет ли этот процесс почти завершен? У нас нет теоретической или вычислительной мощности, чтобы это знать, а Вселенная существует недостаточно долго, чтобы наблюдения могли дать нам какую-либо полезную информацию.
Но, насколько нам известно, водород изначально был самым распространенным элементом во Вселенной, и он останется таким до тех пор, пока существует Вселенная. Спасибо за интересный вопрос., Франклин, и если вы хотите стать темой следующего выпуска «Спросите Итана», присылайте свои вопросы и предложения сюда!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!