🔨 🐗 ♑️ 问伊桑＃34：宇宙如何使用其燃料 💇🏿 👨‍🍳 👦🏼

如果人们可以通过元素周期表来衡量，那么爱情将在第一个数字以下。
-大卫·米切尔（David Mitchell）

读者问：

科学家对宇宙中最初产生多少氢有什么了解，怎么了？我想知道恒星中有多少，它已成为更重的元素，行星，卫星，彗星，星际空间，银河系以及我遗忘的其他地方有多少。

您只能从一开始就开始-从对我们可见的宇宙形成的那一刻开始，即从大爆炸开始！

在宇宙膨胀结束时，在能量转化为物质，反物质和辐射之后，出现了我们所谓的“宇宙的可见部分”。最初，它充满了热和致密的超相对论粒子汤，然后开始冷却和膨胀-随着时间的流逝，膨胀率大大降低。物质击败了反物质，残留物被歼灭，夸克和胶子形成了质子和中子-所有这些都发生在大量辐射的海洋中，遍及所有质子和中子。

从大爆炸那一刻起，我们今天可以观察到的那部分宇宙包含10 ⁹⁰辐射粒子，10 ^80个质子和中子（到目前为止比率约为50/50）。大多数中子要么变成质子，捕获中微子要么衰变，三分钟后，其余中子与质子聚集在一起并形成氦。

到8分钟时，所有原子核（数量上）中的92％是氢原子，而8％是氦。由于氦是重的4倍，按重量计算，该比率约为75/25。

随着时间的流逝，宇宙在数十万年后冷却并形成中性原子，而在数百万年后，这些原子冷却并聚集在分子气体的巨大云中。而且，尽管在当时，电磁相互作用和重力具有非同寻常的特性，但仍需要进行核反应才能改变原子的类型。因此，从氢的观点来看，在此期间变化很小。直到星星出现。

当您创建一颗恒星时，其核心的光核开始变成更重的原子。核聚变过程发生在巨大的温度，压力和密度下-当至少数万个地球质量的氢被压缩为一个致密的结构时。当温度超过四百万开尔文时，开始合成。合成的第一阶段是质子，即氢核向上爬到核梯子上，形成氦气。

氢多快结束？这里的决定因素是恒星的质量。

在几百倍的质量的超重恒星中，原子核非常迅速地燃烧氢，而其质量是太阳质量的数百倍。这种O级恒星非常罕见，仅占总数的0.1％-但它们是整个宇宙中最明亮的恒星。

从主要序列来看，最轻的恒星是M级，太暗了，连哈勃望远镜都无法修复。它们消耗了所有的氢之前，已经生活了数十万亿亿年（比宇宙的当前年龄还多1000倍）。而且，此类M级恒星是宇宙中最常见的恒星，大约每四颗恒星中就有三颗。

可以断定，在经过了世代相传的138.2亿年生命和死亡之后，考虑到地球和太阳系中的氢比氢重得多的大量元素，如今在宇宙中发现的氢要少得多。

但是事实并非如此。

我们的太阳是在90亿年前的宇宙形成的，它是在旋涡星系的平面内旋转的，而旋涡星系是宇宙中最丰富的地方之一。但同时，它已经形成（按质量计）由71％的氢气，27％的氦气和2％的其他所有元素组成。如果我们将所有事物都计入原子并以太阳为标准，我们将发现宇宙寿命93亿年中的氢含量从92％降至91.1％。

只是。这是怎么发生的？

当分子云被压缩时，只有质量云的5％至10％落入恒星。其余的则通过新恒星发出的紫外线辐射进入星际空间。

此外，所有比M级重的恒星在变成红色巨人之前仅燃烧所有燃料的10％。对于小质量恒星，当用过的“燃料”从核心移动到外层，而未燃烧的氢向内移动时，燃烧速度足以完成对流。像Proxima Centauri这样的恒星最终会将其氢的100％转变为氦气-这将需要数万亿年。

但是所有的重恒星将燃烧高达10％的燃料，并以超新星或行星状星云的形式死亡，并将大部分氢返回星际空间。

当然，星系的关联不断发生，在此期间，发生强烈的恒星诞生（称为恒星形成）。

但是，恒星形成越活跃，越多的氢从银河系喷出，进入银河系空间。如今，宇宙中约有50％的氢不属于任何星系，而是占据了它们之间的空间。最有可能的是，恒星将永远不会形成。此外，恒星形成的速度随着时间的推移而显着下降-现在仅为一次最大值的3％。

星系保留了其中将包含大量氢的键合结构。尽管最有可能的是，恒星将不再以现在流行的方式在那里形成，但我们相信，新的恒星将出现甚至数万亿年，甚至更长。

宇宙将变黑，但这不是因为它耗尽了氢。这是因为无法将剩余的氢收集到足够大以形成恒星的分子云中。据估计，有充分理由相信它在宇宙中的数量不会低于80％。也就是说，我们将拥有大量的氦气以及许多甚至更重的元素，但是即使时间趋于无限远，宇宙也将主要由氢组成。

它的质量可以下降到50％以下，这主要是由于大型星系及其星团所致。但是我们相信，当宇宙的年龄比现在大一百万倍时，就会形成新的恒星，但是根据完全不同的方案，这是由于分子云的压缩比太阳重数百万倍。

这个过程会结束吗？这是不可能的，宇宙还太年轻，无法从观测中得出这样的结论。

但是，据我们所知，氢原本是宇宙中最丰富的元素，只要有一个可以存在的宇宙，氢就会一直保持在这个位置。

问伊桑＃34：宇宙如何使用其燃料

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