Có một quá trình tự nhiên mà hydro được tạo ra từ các nguyên tố nặng hơn trong vũ trụ?


8

chúng ta biết rằng các ngôi sao hợp nhất hydro thành helium bắt đầu từ 3 MK; 13 MK trong lõi của Mặt trời; phản ứng tổng hợp carbon bắt đầu ở mức trên 500 triệu K và phản ứng tổng hợp silicon bắt đầu ở mức trên 2700 triệu K để so sánh; chúng ta biết hợp hạch dừng lại ở sắt, bởi vì một ngôi sao phải sử dụng nhiều năng lượng hơn để hợp nhất với nó hơn là nó quay trở lại; vì vậy các nguyên tố nặng hơn được tạo ra chủ yếu trong một siêu tân tinh (nhưng cũng có thể với số lượng nhỏ bằng các quá trình đặc biệt như bắt neutron); cuối cùng các ngôi sao giống như mặt trời cuối cùng là sao lùn trắng, ngôi sao lớn hơn như sao neutron, sao quark, lỗ đen; và các lỗ đen cuối cùng tự chuyển thành bức xạ, trong tương lai xa khi giới hạn khối lượng lỗ đen ổn định tăng lên đủ cao để ngay cả những lỗ đen lớn nhất cũng bốc hơi;

http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_Diagrams

Vì vậy, câu hỏi của tôi là, nó sẽ giống như Stephen Baxter đã nói, rằng trong tương lai sẽ chỉ còn lại bức xạ trong vũ trụ? Cụ thể, có một quá trình tự nhiên ngoài kia mà hydro được phun vào vũ trụ, được chuyển đổi trở lại từ các nguyên tố nặng hơn, để tái tạo nhiên liệu cho các ngôi sao để chúng có thể tỏa sáng trong tương lai xa không?

Tất nhiên chúng ta không cần phải lo lắng về điều này trong thời gian này. Điều này chỉ xem xét mối quan tâm của chúng tôi với những gì sẽ là 10 ^ 70 năm kể từ bây giờ.

Câu trả lời:


5

Không thể tách một hạt nhân lớn hơn thành hạt nhân hydro mà không tiêu tốn một lượng năng lượng lớn hơn mà bạn nhận lại . Điều này là do Hydrogen có (cho đến nay) năng lượng liên kết hạt nhân thấp nhất trên mỗi nucleon (protium có năng lượng liên kết hạt nhân bằng 0, mặc dù deuterium và tritium có một số). Do đó, một quá trình như vậy sẽ làm giảm entropy của vũ trụ - một sự vi phạm các định luật nhiệt động lực học.

Đường cong năng lượng liên kết hạt nhân

Tôi không thể nói nếu các luật này vẫn còn đúng thì có " khủng hoảng lớn " (mặc dù các quan sát hiện tại ủng hộ một vũ trụ đang mở rộng).

Có một kịch bản gọi là cái chết nhiệt , trong đó vũ trụ đơn giản là không còn năng lượng để làm bất cứ điều gì - đó là, mọi thứ hoàn toàn thống nhất. Sẽ không có độ dốc hoặc bất đẳng hướng trong phân phối năng lượng hoặc vật chất.


Câu hỏi của tôi cho bạn là như sau: Liệu phân rã hạt nhân có nhất thiết làm giảm entropy của vũ trụ không? Tôi nghĩ câu trả lời là không, và nếu không, có nhiều cách để các nguyên tử nặng hơn phân rã thành Hydrogen (xem câu trả lời của tôi dưới đây). Nó có thể không so sánh với tốc độ của quá trình hợp hạch xảy ra trong vũ trụ ngày nay, nhưng trong tương lai xa nó có thể là khả năng duy nhất .
Astromax

1
@astromax - Một nguyên tử nặng hơn có thể phân rã thành triti (sau đó phân rã thành helium-3) nhưng tôi không nghĩ bất cứ điều gì có thể phân rã thành protium. Bất kỳ sự phân rã tự phát sẽ làm giảm entropy vì nó phải giải phóng năng lượng. Một phân rã phổ quát đối với các phần tử ánh sáng sẽ giải phóng năng lượng (vì năng lượng ít hơn rất nhiều gắn liền với năng lượng liên kết), do đó làm giảm entropy. Một trạng thái entropy tối đa trong vũ trụ sẽ xảy ra khi mọi thứ đã biến thành sắt. (đây là xa khu vực chuyên môn của tôi, vì vậy hãy cẩn thận!)
Moriarty

Hmm, tôi không thực sự chắc chắn rằng tôi theo bạn. Tôi không biết entropy của vũ trụ (giả sử nó là một hệ kín) sẽ thay đổi như thế nào do quá trình phân rã. Tuy nhiên, tôi đã nói chuyện với các đồng nghiệp của mình và sự đồng thuận dường như là vũ trụ cuối cùng có thể là các lỗ đen, phóng xạ và neutrino khi t đi đến vô tận. Logic ở đây là thậm chí tất cả các nguyên tử ổn định lớn hơn (Sắt là điểm kết thúc của phản ứng tổng hợp và Chì thực sự là điểm cuối cho các quá trình phân hạch tự nhiên) cuối cùng sẽ rơi vào các lỗ đen đủ thời gian.
Astromax

1
@astromax Tôi cũng đọc về sự lột xác lớn mà ngay cả các nguyên tử sẽ bị xé toạc; có lẽ vũ trụ có thể giống như một bong bóng sẽ vỡ; nhưng, tôi không nghĩ rằng những thứ bay ra sẽ khiến chúng bị phá vỡ ở cấp độ hạ nguyên tử; nói ở đây ở dưới cùng wmap.gsfc.nasa.gov/universe/uni_Exansion.html rằng vũ trụ mở rộng thêm 70km / giây / mpc; nếu vũ trụ có bán kính ánh sáng 13,7G = 4202 mpc thì 70 * 4202 = 294140km / giây = gần như 299794.458km / giây (ánh sáng) vì vậy đối với tất cả khả năng tăng tốc của nó, sự mở rộng là loại không đạt tới mức tối đa, tốc độ của nó ngoài
jmarina

1
@astromax, điểm hay đặt câu hỏi liệu vũ trụ có phải là một hệ kín không; theo cuốn sách / phim về Vũ trụ thanh lịch của Brian Greene, các lực hạt nhân mạnh và yếu trong vũ trụ này, nhưng lực hấp dẫn có thể vượt ra ngoài những gì chúng ta cảm nhận là không thời gian 3D + và chỉ một phần của nó ở đây, do đó lực hấp dẫn có thể cho phép tương tác với nhiều người
jmarina

6

Có một vài câu hỏi liên quan người ta muốn hỏi:

1) Các proton phân rã, và nếu vậy, chúng phân rã thành gì? Câu trả lời dường như là không , hoặc ít nhất là thời gian tồn tại trên lý thuyết của proton phải tăng lên do kết quả của những thí nghiệm này. Nếu họ làm như vậy, cuối cùng vũ trụ có thể kết thúc trong trạng thái bức xạ (và năng lượng tối và vật chất tối, trừ khi chúng cũng phân rã).

2) Hydrogen có phải là sản phẩm sinh học của bất kỳ quá trình phân rã tự nhiên nào không? Dưới đây là bảng của tất cả các hạt nhân được biết đến.

đồng vị

Như bạn có thể thấy, phần lớn các yếu tố (không nhất thiết phải theo số lượng hoặc khối lượng trong vũ trụ) phân rã thông qua một số loại quy trình. Tồn tại một sườn núi 'ổn định' (được gọi là hòn đảo ổn định, được bao quanh bởi biển bất ổn) của các yếu tố sẽ hạnh phúc tồn tại mãi mãi.

ββ+α

Bây giờ, cho rằng có nhiều cách để các nguyên tố nặng tạo ra các proton một cách tự nhiên, câu hỏi tôi sẽ hỏi là tốc độ của các quá trình này trong vũ trụ so với các quá trình hợp hạch xảy ra ở trung tâm của các ngôi sao. Tôi không chắc chắn rằng tôi có thể cung cấp cho bạn câu trả lời cho câu hỏi này (hoặc thậm chí chỉ cho bạn tài liệu phù hợp), nhưng về nguyên tắc, các tỷ lệ này đã được biết. Tôi tưởng tượng rằng nó sẽ có khá nhiều sổ sách kế toán để làm cho nó chính xác.


Wikipedia nói về các proton trong phân rã hạt nhân: »Ngay sau khi phát hiện ra neutron vào năm 1932, Enrico Fermi nhận ra rằng một số phản ứng phân rã beta hiếm gặp ngay lập tức tạo ra neutron như một hạt phân rã (phát xạ neutron). Sự phát xạ proton bị cô lập cuối cùng đã được quan sát thấy ở một số nguyên tố. «
Arne

Thú vị - Tôi chưa bao giờ nghe về loại quá trình phân rã đó. Có lẽ nó không phổ biến.
Astromax

Tôi thích câu trả lời này (upvote), sơ đồ được khai sáng, nhưng không thể chọn 2 câu trả lời không may. vi.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_elements ở đây chúng ta thấy rằng hydro và helium là 98% của tất cả các chất baryonic, vì vậy hiện tại không có nhiều sự phân rã. Nhưng trong tương lai xa, tôi đồng ý, sự phân rã hạt nhân tự nhiên có thể là nguồn chi phối cho H / Anh ấy như bạn đã nói trong nhận xét của bạn ở trên. Tôi đã tra cứu tốc độ của hạt alpha và có vẻ như nó chiếm khoảng 5% tốc độ ánh sáng, 15000-20000km / giây tùy thuộc vào năng lượng, do đó có thể sẽ quá nhanh để sụp đổ trọng lực và hình thành những ngôi sao mới.
jmarina

2

Dường như các lỗ đen nguyên thủy tạo ra các proton, và nó được ngụ ý trong bài báo được liên kết rằng chúng có khả năng tạo ra tất cả các loại hạt khác. Vì vậy, thậm chí có thể proton.

Ngoài ra, tôi đoán rằng trong các phản ứng va chạm hạt nhân hoặc phân hạch tự nhiên, có thể có những mảnh được tạo ra cũng là các proton đơn lẻ.

Tia vũ trụ dường như bao gồm chủ yếu là các proton . Câu hỏi là, liệu những proton này được tạo ra trong vụ nổ lớn, hoặc nếu chúng xuất phát từ các nguồn khác. Bài báo nói rằng rất nhiều tia vũ trụ bắt nguồn từ siêu tân tinh. Tuy nhiên, điều này không trả lời cho câu hỏi nếu các proton được tạo ra trong siêu tân tinh từ các nguyên tố nặng hơn.

Vì tôi không phải là nhà vật lý thiên văn, tôi vui mừng chờ đợi bình luận hoặc câu trả lời khác!

Chỉnh sửa: Tôi đọc về một cơ chế khác về cách tạo electron và proton: Tương tác hai-Photon . Tôi trích dẫn bài viết Wikipedia:

Định luật bảo toàn năng lượng đặt ra một năng lượng photon tối thiểu cần thiết để tạo ra một cặp fermion: năng lượng ngưỡng này phải lớn hơn tổng năng lượng nghỉ của các fermion được tạo ra. Để tạo ra cặp electron-positron, tổng năng lượng của các photon phải có ít nhất 2mec2 = 2 × 0,511 MeV = 1.022 MeV (me là khối lượng của một electron và c là tốc độ ánh sáng trong chân không), giá trị năng lượng tương ứng để photon tia gamma mềm. Việc tạo ra một cặp lớn hơn nhiều, như proton và phản proton, đòi hỏi các photon có năng lượng hơn 1,88 GeV (photon tia gamma cứng).

Những tính toán đầu tiên về tốc độ sản xuất cặp e + uye− trong va chạm photon-photon đã được Lev Landau thực hiện vào năm 1934. 1 Người ta dự đoán rằng quá trình tạo cặp e + mậte (thông qua va chạm của photon) chiếm ưu thế khi va chạm với cực Các hạt tích điện tương đối tính vì các photon đó được bức xạ trong các hình nón hẹp dọc theo hướng chuyển động của hạt ban đầu làm tăng đáng kể thông lượng photon.

Trong các máy va chạm hạt năng lượng cao, các sự kiện tạo vật chất đã tạo ra rất nhiều hạt nặng kỳ lạ kết tủa từ các tia photon va chạm (xem vật lý hai photon). Hiện nay, nghiên cứu vật lý hai photon tạo ra các cặp fermion khác nhau cả về lý thuyết và thực nghiệm (sử dụng máy gia tốc hạt, vòi hoa sen, đồng vị phóng xạ, v.v.).

1010

Tất cả trong tất cả các quá trình này có thể sẽ không đủ để hình thành các ngôi sao mới.


ok vì vậy tôi muốn làm rõ rằng tôi không kén chọn liệu hydro được tạo ra từ các nguyên tố nặng hơn; nếu nó đến từ các nguồn khác cũng tốt; những gì tôi muốn nhận được là xem liệu nhiên liệu cho các ngôi sao có thể được đổi mới để chúng có thể tiếp tục tỏa sáng hay không; Tôi nghĩ rằng một vấn đề cơ bản với các proton từ các tia vũ trụ (ý tưởng tốt là btw, upvote cho điều đó), mặc dù một nguyên tử hydro là một proton và một electron, nếu nó di chuyển với một phần đáng kể tốc độ ánh sáng, tôi mong đợi, cảm thấy khó bị ảnh hưởng bởi sự sụp đổ lực hấp dẫn để hình thành một ngôi sao
jmarina

Chuyển động là tương đối. Có lẽ sẽ có các nguyên tử proton / hydro khác di chuyển cùng hướng với cùng tốc độ ... Tôi nghĩ rằng lập luận entropy từ câu trả lời khác là tốt nhất. Vũ trụ chỉ đơn giản là tan vỡ - rất chậm ...
Arne
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.