Fragen Sie Ethan Nr. 34: Wie das Universum seinen Treibstoff verwendet
Wenn Menschen am Periodensystem der Elemente gemessen werden könnten, wäre die Liebe unter der ersten Zahl.
- David Mitchell
Der Leser fragt:Was wissen Wissenschaftler darüber, wie viel Wasserstoff ursprünglich im Universum erzeugt wurde und was damit passiert ist? Ich würde gerne wissen, wie viel es in Sternen ist, wie viel es zu schwereren Elementen geworden ist, wie viel es in Planeten, Monden, Kometen, im interstellaren Raum, intergalaktisch und an einem anderen Ort ist, den ich vergessen habe.
Sie können nur von vorne beginnen - vom Moment der Bildung des Universums an, das für uns sichtbar ist, dh vom Urknall!
Am Ende der kosmischen Inflation und nachdem die Energie in Materie, Antimaterie und Strahlung umgewandelt worden war, schien das, was wir den "sichtbaren Teil des Universums" nennen. Anfangs war es mit einer heißen und dichten Suppe ultra-relativistischer Partikel gefüllt, und dann begann es abzukühlen und sich auszudehnen - und die Expansionsrate nahm mit der Zeit signifikant ab. Materie besiegte Antimaterie, vernichtete Rückstände, Quarks und Gluonen bildeten Protonen und Neutronen - und all dies geschah in einem Meer reichlich Strahlung, das über alle Protonen und Neutronen herrschte.
Nach einer Sekunde ab dem Moment des Urknalls enthielt der Teil des Universums, den wir heute beobachten können, 10 90Strahlungsteilchen, 10 80 Protonen und Neutronen (bisher in einem Verhältnis von ca. 50/50). Die meisten Neutronen verwandelten sich entweder in Protonen, fingen ein Neutrino oder zerfielen, und nach drei Minuten sammelten sich die verbleibenden Neutronen mit den Protonen und bildeten Helium.
Im Alter von 8 Minuten waren 92% aller Atomkerne (in Menge) Wasserstoffatome und 8% Helium. Da Helium viermal schwerer ist, sah dieses Gewichtsverhältnis wie 75/25 aus.Im Laufe der Zeit kühlte das Universum ab und bildete nach mehreren hunderttausend Jahren neutrale Atome. Nach Millionen von Jahren kühlten diese Atome ab und sammelten sich in riesigen Wolken aus molekularem Gas. Und trotz der Tatsache, dass in jenen Tagen elektromagnetische Wechselwirkung und Schwerkraft ungewöhnliche Eigenschaften hatten, ist eine Kernreaktion erforderlich, um den Atomtyp zu ändern. Aus Sicht des Wasserstoffs hat sich daher in dieser Zeit wenig geändert. Bis die Sterne erschienen.
Wenn Sie einen Stern erschaffen, beginnen die leichten Atomkerne in ihrem Kern, sich in schwerere zu verwandeln. Der Prozess der Kernfusion findet bei enormen Temperaturen, Drücken und Dichten statt - wenn eine Wasserstoffmasse von mindestens Zehntausenden Erdmassen zu einer dichten Struktur komprimiert wird. Wenn die Temperatur vier Millionen Kelvin überschreitet, beginnt die Synthese. Die erste Synthesestufe sind Protonen, d.h. Wasserstoffkerne klettern die Kernleiter hinauf und bilden Helium.Wie schnell endet Wasserstoff? Der bestimmende Faktor ist hier die Masse des Sterns.
In superschweren Sternen, der hundertfachen Sonnenmasse, verbrennen die Kerne sehr schnell Wasserstoff - in nur wenigen Millionen Jahren. Solche Sterne der O-Klasse sind sehr selten, es gibt nur 0,1% der Gesamtzahl - aber sie sind die hellsten Sterne im gesamten Universum.
Die hellsten Sterne der M-Klasse aus der Hauptsequenz sind zu dunkel, als dass selbst Hubble sie hätte reparieren können. Sie leben Dutzende und Hunderte von Billionen von Jahren (mehr als 1000 mehr als das aktuelle Alter des Universums), bevor sie den gesamten Wasserstoff verbrauchen. Darüber hinaus sind solche Sterne der M-Klasse die häufigsten im Universum, dies sind ungefähr drei von vier Sternen.
Es konnte entschieden werden, dass nach allen Generationen von Sternen, die über 13,82 Milliarden Jahre lebten und starben und unter Berücksichtigung der großen Anzahl von Elementen, die schwerer als Wasserstoff auf der Erde und im Sonnensystem sind, heute im Universum viel weniger Wasserstoff gefunden werden kann.Aber das ist nicht so.
Unsere Sonne entstand, als das Universum 9 Milliarden Jahre alt war, in der Ebene einer Spiralgalaxie - einem der am meisten angereicherten Orte im Universum. Gleichzeitig bestand es nach seiner Bildung (nach Masse) aus 71% Wasserstoff, 27% Helium und 2% von allem anderen. Wenn wir alles in Atome zählen und die Sonne als Standard nehmen, werden wir feststellen, dass die Wasserstoffmenge in 9,3 Milliarden Jahren des Lebens des Universums von 92% auf 91,1% gesunken ist.Gerade. Wie ist es passiert?
Wenn eine Molekülwolke komprimiert wird, fallen nur 5% bis 10% der Masse der Wolke in den Stern. Der Rest wird durch ultraviolette Strahlung neuer Sterne in den interstellaren Raum emittiert.
Außerdem verbrennen alle Sterne, die schwerer als die M-Klasse sind, nur 10% des gesamten Treibstoffs, bevor sie sich in einen roten Riesen verwandeln. Bei Sternen mit kleiner Masse ist die Verbrennung langsam genug, um die Konvektion zu vervollständigen, wenn abgebrannter „Brennstoff“ vom Kern zu den äußeren Schichten wandert und unverbrannter Wasserstoff nach innen wandert. Ein Stern wie Proxima Centauri wird schließlich 100% seines Wasserstoffs in Helium umwandeln - und es wird mehrere Billionen Jahre dauern.
Aber alle schweren Sterne verbrennen bis zu 10% des Treibstoffs und sterben als Supernovae oder als Planetennebel ab und bringen den Großteil des Wasserstoffs zurück in den interstellaren Raum.Natürlich treten ständig Assoziationen von Galaxien auf, während derer Perioden intensiver Geburt von Sternen, die als Sternentstehung bekannt sind, auftreten.
Aber je aktiver die Sternentstehung stattfindet, desto mehr Wasserstoff wird von der Galaxie in den intergalaktischen Raum ausgestoßen. Und heute gehören etwa 50% des Wasserstoffs im Universum keiner Galaxie an, sondern nehmen den Raum zwischen ihnen ein. Höchstwahrscheinlich werden sich daraus niemals Sterne bilden. Darüber hinaus hat die Geschwindigkeit der Sternentstehung im Laufe der Zeit dramatisch abgenommen - jetzt sind es nur noch 3% des einstigen Maximums.
Galaxien bleiben gebundene Strukturen, in denen eine große Menge Wasserstoff enthalten sein wird. Und obwohl sich dort höchstwahrscheinlich keine Sterne mehr bilden werden, wie sie jetzt vorherrschen, glauben wir, dass neue Sterne noch Billionen von Jahren und vielleicht sogar noch länger erscheinen werden.
Das Universum wird dunkler, aber nicht, weil ihm der Wasserstoff ausgeht. Dies liegt daran, dass der verbleibende Wasserstoff nicht in Molekülwolken gesammelt werden kann, die groß genug sind, um Sterne zu bilden. Schätzungen zufolge gibt es allen Grund zu der Annahme, dass sein Anteil im Universum nicht unter 80% fallen wird. Das heißt, wir werden viel Helium und viele noch schwerere Elemente haben, aber selbst wenn die Zeit gegen unendlich geht, wird das Universum hauptsächlich aus Wasserstoff bestehen.Seine Masse kann unter 50% fallen, hauptsächlich aufgrund großer Galaxien und ihrer Cluster. Wir glauben jedoch, dass sich, wenn das Alter des Universums millionenfach größer sein wird als jetzt, neue Sterne bilden werden, jedoch nach völlig anderen Schemata - aufgrund der Kompression von Molekülwolken, die millionenfach schwerer sind als die Sonne.
Wird dieser Prozess das Ende erreichen? Es ist nicht möglich, dies zu berechnen, und das Universum ist noch zu jung, um solche Schlussfolgerungen aus Beobachtungen ziehen zu können.Aber soweit wir wissen, war Wasserstoff ursprünglich das am häufigsten vorkommende Element im Universum, und es wird in dieser Position bleiben, solange es ein Universum gibt, in dem es existieren kann.Source: https://habr.com/ru/post/de384959/
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