宇宙的氫元素用不完嗎?為什麼恒星消亡之后,還能形成新的恒星?

天空之城 2022/11/23 檢舉 我要評論

氫元素是已知宇宙中最簡單的元素,也是宇宙中眾多恒星的主要「燃料」,在恒星的核心區域,每時每刻都有大量的氫元素發生核聚變反應,并源源不斷地釋放出能量,而恒星也因此而在宇宙空間發光發熱。

通常我們都會認為,當一顆恒星消亡之后,其留下的殘余物質應該不會再形成新的恒星,畢竟它們的「燃料」都已經耗盡了,但事實卻并非如此,實際上,我們早已觀測到新一代的恒星,可以從上一代的恒星留下的殘余物質形成。

那麼問題就來了,為什麼恒星消亡后,還能形成新的恒星?難道是宇宙的氫元素用不完嗎?當然不是,其實這主要有以下兩個原因。

一、宇宙中消亡的恒星都很「浪費」

核聚變反應需要高溫的條件,而恒星之所以能夠滿足這個條件,則是因為恒星因為自身引力而發生的坍縮,這也被稱為「引力坍縮」,從能量的角度來看,這其實就是恒星物質所具備的引力勢能轉變成了熱能。

對于一顆恒星來講,距離其中心越遠,物質的溫度也就越低,當達到一定程度的時候,就不能滿足核聚變反應的條件了,因此恒星的聚變反應其實只會發生在它的核心區域,我們可以將其稱為「核心反應區」

「核心反應區」釋放的能量可以形成一種向外的「輻射壓」,這可以阻止恒星發生進一步的「引力坍縮」,恒星的質量越大,其內部的核聚變反應就激烈,當達到一定的質量時(一般認為是太陽質量的50%),「輻射壓」就會形成一個「輻射層」,這會阻止恒星外層的氫元素進入其「核心反應區」。

如此一來,就造成了宇宙中的那些質量較大的恒星都很「浪費」,它們終其一生都無法用到其外層的氫元素,比如說像太陽這種恒星,即使到了消亡之時,其消耗的氫元素通常也只能占到它所擁有的氫元素總量的百分之十幾。

由于宇宙中的那些小質量恒星的核聚變反應相對很弱,因此它們并不存在「輻射層」,其外層的氫元素就可以通過對流的方式進入其「核心反應區」,如此一來,它們就可以極為緩慢且充分地消耗自身的氫元素,其「壽命」可以高達上萬億年甚至更久,這遠遠地超過了138億年的宇宙年齡。

因此可以說,宇宙中已經消亡的恒星,其實都很「浪費」,而那些不「浪費」的恒星,其「燃料」直到現在也沒有用完。

由于恒星內部核聚變反應的激烈程度與其質量正相關,因此恒星的質量越大就越「浪費」,其「壽命」也就越短,以至于那些質量遠超太陽的恒星,其「壽命」通常都只有短短的幾百萬年,當它們消亡之后,其留下的殘余物質中依然會含有大量的氫元素,進而具備了形成新的恒星的潛力。

二、宇宙中的氫元素實在是太多了

根據科學界的主流觀點「大爆炸宇宙論」,宇宙中誕生于一個溫度極高、密度極大的「奇點」在大約138億年前發生的「大爆炸」,在此過程中,宇宙不斷地膨脹,其溫度也持續地下降,最終形成了我們現在所看到的宇宙。

該理論認為,宇宙中的氫元素來自于宇宙誕生之初,在「大爆炸」發生后的極短的時間之內(10^-12秒),宇宙中就生成了大量的質子和中子,而我們都知道,質子其實就是氫原子核。

在「大爆炸」發生后100秒左右,宇宙還經歷了一次「原初核合成期」,在這個時期,宇宙中質子和中子的數量比例大約為7比1,宇宙的溫度和密度也正好可以滿足生成輕元素的條件,于是宇宙中就出現了大量的輕元素。

在大約35分鐘之后,宇宙的溫度和密度進一步下降,「原初核合成期」也就結束了,此時的宇宙中已生成了占宇宙質量(注:不包括暗物質和暗能量)大約25%的輕元素,其中絕大多數都是氦,還有極為少量的鋰,而其他的則全部都是氫元素。

宇宙中的氫元素大量地存在于廣闊的宇宙空間之中,而恒星所擁有的氫元素,其實只是其中很少的一部分。當一顆恒星消亡之后,其留下的殘余物質會使其所在區域的物質密度相對更高,因此就更加容易吸積,而隨著這個過程的持續,宇宙中那些游離的氫元素也會加入其中,進而為新的恒星補充「燃料」。

小結

綜上所述可知,之所以恒星消亡之后,還能形成新的恒星,其實就是上述兩個原因的疊加效果,當然了,宇宙中的氫元素并不是用不完,隨著時間的流逝,它們總會有用完的那一天。

好消息是,宇宙中的氫元素實在是多得離譜,根據科學家的估算,從宇宙誕生一直到現在,氫元素的消耗量連其總量的1%都沒有達到,所以在未來的很長一段時間里,宇宙依然會星光燦爛。

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