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太陽每時每刻都在釋放著大量的熱量,在太陽的內部,每一秒都有400萬噸的質量轉化為能量,以光線和熱量的方式被釋放了出來。
宇宙中恆星內部都在進行著聚變反應促使氫聚變為氦,隨著時間的推移,宇宙中的氫元素可能會越來越少,當氫元素的消耗到一定程度後,還會有新的恆星出現嗎?
物質比例
首先,我們要先搞懂宇宙中物質的比例,人類肉眼可見的普通物質可以被稱為「普通物質」,它們只佔宇宙總質量的5%,有90%以上的物質和能量是人類肉眼觀察不到的,並且因為這些不可見物質不會和電磁力產生作用,所以現代科技無法證明觀察到它們,只能用其他的證據間接證明暗物質的存在。
人類可以觀察到的所有天體結構,包括黑洞這樣暫時無法觀察的天體,加在一起其實只是宇宙總質量的5%。
宇宙中所有的物質都是由基本粒子組成,從化學元素的角度來看,宇宙中的各種化學元素比例並不均勻,宇宙中的化學元素豐度和地球上不同,宇宙中最多的化學元素是「氫」,也就是恆星的主要組成部分。
把宇宙中全部的化學元素加在一起,那麼有90%的元素是氫,9.7%的元素是氦,其他元素瓜分了剩餘的0.3%,宇宙中氫原子的數量是其他所有原子加在一起的一百倍,因此宇宙中的氫原子含量是遠超人類想像的。
其實從太陽中的質量比例也可以看出來,太陽本身佔據了太陽系總質量的99.86%,而太陽內部的主要元素同樣是「氫」,除了氫和氦以外,太陽中的重元素來自於一個已經死亡的恆星。
宇宙中存在的氫元素含量很充足,但是宇宙中的恆星數量也十分的多,在銀河系中就至少存在1200億顆恆星,這些恆星都在不斷的消耗內部的氫元素,宇宙中的氫元素不會被消耗完嗎?
恆星內部的聚變反應
在宇宙大爆炸之後,隨著溫度的降低,宇宙開始慢慢的冷卻下來,一開始宇宙中幾乎全部都是氫元素,大片大片的氫元素在引力的影響下慢慢聚集,形成了最原始的星雲,最初的恆星也隨之出現。
在引力的作用下,氫原子聚集在一起,密度越來越高,最終核心區域在高溫高壓的環境下,開始進行「熱核反應」,也就是我們常說的「核聚變」,多個氫原子聚變為一個氦原子,在這個過程中釋放出大量的能量。
在恆星演化到某個階段後,氦元素也開始發生聚變,產生「碳」和「氧」兩種元素,這些元素在一定的溫度下也會聚變形成新的元素,直到聚變形成鐵元素,恆星內部的聚變反應就無法繼續了,但是超新星爆發可以製造出更重的元素。
當然,鐵元素仍然可以聚變產生新的元素,但是條件十分苛刻,在恆星中無法形成,也就是說其實宇宙中的一切元素都是由氫元素聚變而來,目前宇宙的年齡是137億年,在這麼漫長的時間中,氫元素仍然可以保持90%以上的豐度,就足以證明恆星對於氫元素的消耗是微乎其微的。
如果氫元素被消耗完,會發生什麼?
雖然恆星對於宇宙中氫元素的消耗很少,但是日積月累下,未來的某一天,宇宙中的氫確實可能會不斷減少,但是並不可能全部消失,肯定會有一些「邊角料」殘留下來,就像是太陽系內的「小行星帶」一樣,宇宙中仍然存在很多氫元素,但是因為含量較少,並且分布的比較稀薄,無法再形成新的恆星了。
但是,氫元素不是憑空消失,而是轉化為了氦元素,在宇宙中的氫元素被消耗到無法形成新的恆星時,宇宙豐度最多的元素就變成了氦元素,同時宇宙中的其他元素會更加充足,而氦元素可能會演變成新的「恆星」,只不過比起現在宇宙中的大多數恆星來說,質量和密度都會更高,因為氦元素更重,發生核聚變反應需要更高的溫度和密度。
幸運的是,目前宇宙中的氫元素含量還很充足,人類正處於這個宇宙中最適合生命存在的階段,至少在數百億年甚至是上千億年內,宇宙中的都會不斷的有新的恆星誕生,至於宇宙未來的演化,需要人類長時間的探索和計算才能得到結果。
恆星對於氫元素的消耗,其實也沒有我們想像中的多,以太陽為例,當太陽走到生命盡頭後,並不是全部的氫元素都被消耗光了,而是太陽內部核心的氫元素被大量消耗,導致引力失衡膨脹為紅巨星後,太陽表層的大量氫元素會離開太陽,形成一團星雲。
而宇宙中的大質量恆星,會在壽命達到盡頭時,發生一場「超新星爆發」,大量的氫元素被噴發出來,在一個區域形成星雲,可能會誕生出新的恆星,雖然對於人類來說,恆星消耗的氫元素很多,但是對於宇宙的氫元素總數來說,只是很小一部分。
更加有趣的是,地球上之所以有生物誕生,並且有多姿多彩的自然環境,就是因為恆星內部的核聚變反應,讓更多的新元素誕生,人類也是由各種元素組成的,從這個角度來看,地球上的生物其實都是「太陽的孩子」。