宇宙中的氢元素永远无法用完吗?为什么新恒星会不断形成?
前言
氢元素是宇宙中最为简单的元素,成为许多恒星的主要“燃料”,恒星依靠此发起核聚变反应,并能够在宇宙空间中释放出巨大的能量。大多数人会认为,当恒星消亡后,其落下的残留物质不会再次形成新的恒星,因为“燃料”已经用尽,而事实却并非如此。科学家发现,新一代的恒星可以形成,且这些新的恒星是由旧的恒星落下的残留物质形成的。这种现象的背后到底是什么原因,为什么消亡的恒星还能形成新的恒星?
恒星的消逝
在各种遥远的星系里,新旧恒星的出现与消逝一直是宇宙中不可或缺的过程。恒星的燃料通常是氢元素,而大部分恒星在其生命周期内,氢元素的聚变反应都发生在其核心区域内。这一点导致恒星只会在核心反应区域释放出排斥力,形成一股向外的“辐射压”,恒星得以抵消引力坍缩的力量。然而,恒星在消亡的过程中,物质密度会大幅增加,残余的物质会分布在相对密集的区域中,通过引力作用,物质不断地向恒星中心的小区域聚拢,所以恒星暴发成为超新星会释放出更多的物质,这些物质会扩散到周围的空间中,进而加入到更多新的星形成的过程中。
恒星燃料的浪费
恒星内部核聚变反应需要极高的温度,毕竟原子核具有静电反斥力。“引力坍缩”使恒星满足核聚变所需要的温度,从能量的角度来看,这意味着恒星质量所形成的引力势能可以转变成大量的热能。然而,由于恒星内部这种极端的温度只会在核心反应区域发生核聚变,离核心区域更远的物质温度就会越来越低,不再适宜进行核聚变反应。因此,恒星只在其核心区域发生核聚变反应,并形成向外的“辐射压”,防止恒星进一步坍缩。超大质量的恒星内核反应激烈,所以它们形成“辐射层”,难以吸收外层氢元素,导致氢元素的大量浪费。较小质量的恒星内核反应相对较弱,不形成“辐射层”,外层氢元素得以通过对流运动进入“核心反应区”,从而充分利用恒星的所有氢元素。
新一代恒星形成原因
当恒星耗尽其氢元素燃料的时候,其会进一步演化成红巨星,最后演变成白矮星或中子星,仅留下微弱的残余物质。但这种残留物质本身具有质量,密度又相对较高,因此引力会使它们逐渐凝聚在一起形成新的恒星。这些新恒星的质量能够通过吸收周围的氢元素而快速增长,形成新的恒星。而宇宙中恒星的数量是如此庞大,其消耗的氢元素在比例上极为有限,恒星消亡后的残留物质只是其中很少一部分,另外一方面,宇宙中的氢元素数量极为丰富。笼统地说,氢元素的浪费和用不完这两个原因是可以同时存在的。
宇宙氢元素的丰富
氢元素是宇宙中最为简单的元素,来自于宇宙大爆炸的初期。大爆炸之后,氢元素迅速形成,之后出现了“原始核合成功率”,最后生成了婴儿宇宙中几乎所有的氢和部分氦元素。其后,宇宙中就开始了恒星的形成和消逝的周期,但是宇宙中的氢元素还是非常丰富的。大量的氢元素还散布在宇宙的各个角落,等待恒星使用。“大爆炸宇宙论”认为,在宇宙诞生的时候,已经形成了大量的质子和中子,这些质子就是氢原子核。在大爆炸之后,氢元素成为宇宙中最为丰富的元素,占据了宇宙中物质的绝对数量。在大约35分钟之后,宇宙的温度和密度下降,原始核合成功率结束,宇宙中已经生成了大约25%的轻元素,其中绝大多数都是氦,还有一些氢和少量的锂。宇宙中氢元素的总量非常庞大,用不完实在是极为困难的事情。
结论
综上所述,即使消亡了,恒星留下的残留物质仍然可以形成新的恒星,这主要有两个原因:一是恒星内核聚变反应很浪费,只有少量的元素进入核心区域,并通过核聚变反应释放出能量,难以充分利用。此外,超大质量的恒星会形成“辐射层”,难以吸收外层氢元素,导致更多的氢元素浪费。相比之下,小质量恒星没有“辐射层”,可以通过对流运动将外层氢元素运输到核心区域,从而充分利用氢元素。二是宇宙中的氢元素非常丰富,消耗氢元素的比例非常小。大爆炸之后,宇宙中就已经形成了大量的氢元素,即使经历了数百亿年的恒星形成和消失过程,仍有大量的氢元素存在于宇宙之中。因此,宇宙在相当长时间内还将继续形成新的恒星。
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