Спросите Итана №34: как Вселенная использует своё топливо

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.

http://geektimes.ru/post/263540/
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 10⁹⁰частиц 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. 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.



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.