Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Как вселенная своё топливо использует?

12.10.2015 в 05:31

( Наука@Science_Newworld).

Начать можно лишь с самого начала - с момента формирования видимой нам вселенной, то бишь, с большого взрыва!

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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. В случае 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?

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

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.

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.

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.

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.

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.

Ли этот процесс до конца дойдёт? 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.