Спросите Итана №34: как Вселенная использует своё топливо

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-34-using-up-the-universes-fuel-53b1412bf49a
  • Перевод
Если бы людей можно было мерить по периодической таблице элементов, то под первым номером стояла бы любовь.
— Дэвид Митчелл

Читатель спрашивает:
Что учёные знают о том, сколько изначально во Вселенной было создано водорода, и что с ним случилось? Хотелось бы знать, сколько его в звёздах, сколько превратилось в более тяжёлые элементы, сколько его в планетах, лунах, кометах, в межзвёздном пространстве, межгалактическом, и где-нибудь ещё, где я забыл.

Начать можно лишь с самого начала – с момента формирования видимой нам Вселенной, то бишь, с Большого взрыва!

image

По окончанию космической инфляции и после того, как энергия преобразовалась в материю, антиматерию и излучение, появилось то, что мы называем «видимой частью Вселенной». Изначально она была наполнена горячим и плотным супом ультрарелятивистских частиц, а затем начала охлаждаться и расширяться – причём скорость расширения со временем сильно уменьшилась. Материя победила антиматерию, остатки аннигилировали, кварки и глюоны сформировали протоны и нейтроны – и всё это происходило в море обильного излучения, которое преобладало над всеми протонами и нейтронами.

image

По прошествии секунды с момента Большого взрыва та часть Вселенной, которую мы можем сегодня наблюдать, содержала 1090 частиц излучения, 1080 протонов и нейтронов (пока находившихся в соотношении около 50/50). Большинство нейтронов либо превратилось в протоны, словив нейтрино или распавшись, и после трёх минут оставшиеся нейтроны собрались вместе с протонами и образовали гелий.

image

К 8-минутному возрасту 92% всех атомных ядер (по количеству) составляли атомы водорода, а 8% — гелия. Поскольку гелий в 4 раза тяжелее, то по массе это соотношение выглядело как 75/25.

С течением времени Вселенная остывала, сформировала нейтральные атомы после нескольких сотен тысяч лет, а после миллионов лет эти атомы охладились и собрались в гигантские облака молекулярного газа. И, несмотря на то, что в те времена электромагнитное взаимодействие и гравитация обладали необычными свойствами, для изменения типа атома требуется ядерная реакция. Поэтому с точки зрения водорода за это время мало что менялось. Пока не появились звёзды.

image

Когда вы создаёте звезду, в её ядре лёгкие ядра атомов начинают превращаться в более тяжёлые. Процесс ядерного синтеза происходит при огромных температурах, давлениях и плотностях – когда масса водорода не менее десятков тысяч масс Земли сжимается в одну плотную структуру. Когда температура переваливает за четыре миллиона Кельвинов, начинается синтез. Первая ступень синтеза – протоны, т.е. ядра водорода, карабкаются по ядерной лестнице, формируя гелий.

Как быстро кончается водород? Определяющим фактором здесь выступает масса звезды.

image

У сверхтяжёлых звезд, массой в сотни раз выше Солнечной, ядра сжигают водород очень быстро – всего за несколько миллионов лет. Такие звёзды О-класса очень редки, их всего 0,1% от общего количества – но они самые яркие звёзды во всей Вселенной.

image

Самые лёгкие звёзды, М-класса, из главной последовательности, слишком тусклы, чтобы их смог зафиксировать даже Хаббл. Они живут десятки и сотни триллионов лет (более чем в 1000 больше текущего возраста Вселенной) до того, как истратят весь водород. При этом такие звёзды М-класса – самые распространённые во Вселенной, это примерно три из каждых четырёх звёзд.

image

Можно было бы решить, что спустя все поколения звёзд, которые жили и умирали за 13,82 миллиарда лет, и учтя огромное количество элементов тяжелее водорода на Земле и в Солнечной системе, что во Вселенной сегодня можно было бы найти гораздо меньше водорода.

Но это не так.

image

Наше Солнце сформировалось, когда Вселенной было 9 миллиардов лет, в плоскости спиральной галактики – одном из самых обогащённых мест Вселенной. Но при этом, сформировавшись, оно состояло (по массе) на 71% из водорода, на 27% из гелия, и на 2% из всего остального. Если мы пересчитаем всё на атомы и примем Солнце за эталон, мы получим, что количество водорода за 9,3 миллиарда лет жизни Вселенной уменьшилось с 92% до 91,1%.

Всего-то. Как же так получилось?

image

При сжатии молекулярного облака лишь от 5% до 10% массы облака попадает в звезду. Остальное выбрасывается в межзвёздное пространство ультрафиолетовым излучением, испускаемым новыми звёздами.

image

Кроме того, все звёзды тяжелее М-класса сжигают лишь 10% от всего топлива, прежде чем превратиться в красного гиганта. Для звёзд небольшой массы горение идёт достаточно медленно для совершения полной конвекции, когда отработанное «топливо» перемещается из ядра во внешние слои, а несгоревший водород перемещается внутрь. Звезда вроде Проксима Центавра в конце концов превратит 100% своего водорода в гелий – и это займёт несколько триллионов лет.

image

Но все тяжёлые звёзды сожгут до 10% топлива, и погибнут как сверхновые или как планетарные туманности, и возвратят основную часть водорода обратно в межзвёздное пространство.

Конечно, постоянно происходят объединения галактик, во время которых случаются периоды интенсивной рождаемости звёзд, известные как звёздообразования.

image

Но чем активнее происходит звёздообразование, тем больше водорода выбрасывается прочь из галактики, в межгалактическое пространство. И в наши дни порядка 50% водорода Вселенной не принадлежит ни к одной галактике, а занимает пространство между ними. Скорее всего, из него уже никогда не образуются звёзды. Кроме того, скорость образования звёзд со временем кардинально уменьшилась – сейчас она составляет лишь 3% от максимума, который был когда-то.

image

Галактики остаются связанными структурами, в которых будет содержаться большое количество водорода. И хотя, скорее всего, там уже не будут образовываться звёзды тем способом, который превалирует сейчас, мы считаем, что новые звёзды будут возникать ещё триллионы лет, а может быть и дольше.

image

Вселенная потемнеет, но не из-за того, что у неё кончится водород. Это будет потому, что оставшийся водород не сможет собраться в молекулярные облака, достаточно большие для формирования звёзд. По подсчётам есть все основания полагать, что его количество во Вселенной не опустится ниже 80%. То есть, у нас будет много гелия и много ещё более тяжёлых элементов, но даже при устремлении времени к бесконечности Вселенная будет составлена в основном из водорода.

Его масса может упасть и ниже 50%, в основном из-за больших галактик и их кластеров. Но мы считаем, что когда возраст Вселенной будет в миллион раз больше, чем сейчас, новые звёзды будут формироваться, но по совершенно другим схемам – из-за сжатия молекулярных облаков массой в миллионы раз больше Солнечной.

image

Дойдёт ли этот процесс до конца? Подсчитать это не представляется возможным, да и Вселенная ещё слишком молода, чтобы можно было сделать такие выводы из наблюдений.

Но, насколько мы знаем, водород изначально был самым распространённым элементом во Вселенной, и он останется на этой позиции до тех пор, пока будет Вселенная, в которой он сможет существовать.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 10
  • 0
    То что вселенная имеет начало и конец и ограниченный запас энергии не очень укладывается в голове.
    • 0
      Очень глупый вопрос: Термоядерный синтез проходит с выделением энергии. Распад так же проходит с выделением энергии. Не попахивает ли это «вечным двигателем»?
      • +1
        Для синтеза и распада нужно разное топливо. Если в двух словах — все что легче железа — топливо для синтеза, тяжелее — для распада. А результат процессов — в районе железа. Железо — это настолько отработанное топливо, что ядерными процессами энергии из них не выжмешь.
        • 0
          Спасибо.
          То есть теоретически можно синтезировать из водорода, условно, уран, а так же расщепить уран, условно, до водорода, но затраты энергии будут больше её выделения?
          • 0
            Наверное имелось ввиду что до железа синтез будет выделять энергию, а после уже потреблять, так что нет
            • 0
              Правильно, при переходе через железо уже приходится тратить энергию, а не получать.
          • +1
            Там граница проходит в районе железа. Все что легче укрупняется с выделением энергии, все что тяжелее — распадается.
            • +1
              Что же в железе такого особенного?
              • 0
                Энергия, которую можно получить/затратить из распада/синтеза равна энергии новых связей протонов и нейтронов в ядре. Что бы ядро было стабильным нужно к протонам (имеющим одинаковый заряд и «разрывающими» ядро) добавлять нейтроны. А добавление нейтронов — траты энергии на создание связи с ними. Для легких ядер число протонов и нейтронов которое нужно для стабильного ядра примерно одинаково. Т.е. 2 ядра дейтерия (1 нейтрон +1 протон) сольется в гелий (2п+2н). Сливание одинаковых кусков всегда выгодно, даже после железа. Другое дело то, что чем больше ядро, тем больше его «разрывает» отталкиванием протонов. Для того, чтобы оно было стабильным, нужно добавить еще нейтронов извне. А добавить нейтронов — затратить энергию. Энергия выделяющаяся при синтезе остается, но ближе к железу она вся тратится на добавленные нейтроны. После железа на добавление нейтронов тратится больше чем получится при синтезе.
                С распадом все зеркально — разломил тяжелый уран — части стабильны и при меньшем количестве нейтронов, нейтроны выкидываем а энергию (которой держались нейтроны) выделяем (за вычетом платы за то, что быть частями энергитически не выгодно).
                Вывод — железо не уникально, оно просто обладает таким ядром, в котором плюс от синтеза примерно равен минусу от новых нейтронов в ядре. Все что меньше — будет получать много от синтеза и мало тратить на новые нейтроны. Все что левее — будет получать от синтеза меньше, чем нужно на нейтроны.
          • 0
            Кто-нибудь вообще понимает смысл первого эпиграфа к статье? Как периодическая таблица может «мерить» (кроме того, что это неграмотно)? И первый номер — то есть это то, что самое легкое, да? Какой в этом всем смысл?

            Это, конечно, не к переводчику — ну, кроме «мерить». Но задолбали эти бессмысленные эпиграфы. Такое впечатление, что если человек — Дэвид Митчелл, то он может говорить бессмысленную чушь. Ну а Итан — повторять, да.

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое