从宇宙诞生到未来，氢元素的含量的变化

爱上阿南

我们深入宇宙，把恒星、星系和整个时空看作一个整体，从已知到未知，我们不断思考，最终的梦想是想弄清楚：这所有的一切是怎么回事！目前我们所掌握的知识，让我们一遍又一遍的思考宇宙中最小的部分是如何在最大的尺度上进化的。

我们都知道大爆炸后宇宙赋予了我们第一批物质资源，那就是我们熟知的氢。这种最简单的元素经历了一次又一次的恒星聚变，超新星爆发，中子星碰撞产生了我们已知的周期表上的所有元素，也构成了万物！所以问题来了：我们的宇宙会不会耗尽氢元素？在未来氢元素的原子量或质量会剩下多少？我们的宇宙会不会无法形成新的恒星，而停止核聚变？

（关于轻元素的起源和铁以后重元素的起源过程，感兴趣的小伙伴戳连接哈：一口气搞懂︱金元素以及所有重元素的身世之谜）

宇宙大爆炸之后发生了什么?

关于氢问题的讨论，就必须从可观测宇宙的起源:大爆炸本身开始说起!

宇宙诞生于一团真空能量，是真空能量的不稳定导致了宇宙发生暴胀，并且启动了所谓的大爆炸。当宇宙暴胀结束时，所有被锁定为空间自身固有能量之外的能量都转化为物质、反物质和辐射，我们传统上认为的可观测宇宙就开始了。

宇宙早期，也就是暴胀结束后，空间充满了由超相对论粒子组成的又热又密的物质辐射浓汤，在随后宇宙的膨胀中空间开始冷却，随着时间的推移膨胀速度也大大减慢，物质战胜了反物质，夸克和胶子聚集在一起形成了自由的质子和中子，这一切都发生在比质子和中子多得多的辐射海洋中，而质子和中子将构成我们日常所说的“正常物质”。

从大爆炸开始后的一秒钟，我们今天可以观测到的宇宙中包含了大约10^90个辐射粒子，还剩下大约10^80个质子和中子(大约各占一半)。大多数中子要么通过俘获中微子转化为质子，要么通过放射性衰变转化为质子，到宇宙形成三分钟多一点的时候，剩下的中子将与质子融合，形成少量的氦。（因为中子本身就不稳定，不能单独存在，很容易衰变为质子）

到宇宙诞生四分钟时，按数量计算的话，92%的原子核是氢，剩下8%是氦。(如果把这些原子按质量分类，氦的质量通常是氢的四倍，那么质量比例就是是75%/25%。)

在更长的时间里，宇宙继续冷却，在几十万年后形成中性原子，然后在数百万年之后，这些中性原子冷却在引力的作用下开始收缩，形成巨大的分子气体云。尽管电磁力和引力在这段时间里产生了巨大的影响，形成了中性原子、恒星、星系甚至是宇宙的大尺度结构。

但只有核反应才能改变原子的类型（再电离）。所以就氢而言，这段时间没有什么变化，氢依然是氢。直到第一颗恒星形成的时候...

宇宙的元素锻造厂就开始工作了

要成为一颗真正的恒星，它的主要特征是在其核心将较轻的元素融合成较重的元素。这种核聚变过程只有在巨大的温度、压力和高密度下才会发生，至少有数万地球质量的氢聚集在一个单一的束缚结构中。当核心温度超过400万开尔文时，核聚变就开始了，第一阶段的聚变是将单质子（氢原子），在核链上聚变为氦（这个过程其实还是挺漫长和复杂的，想了解的伙伴戳链接：一口气搞懂太阳的聚变过程，原来核物理如此简单），今天的焦点是氢，所以就不赘述了。

一个恒星要用多长时间才能把氢“吃光”，最大的决定因素其实是相当简单的：恒星的质量。

对于质量最大的恒星，例如：质量是太阳质量数百倍的恒星(如上图中最亮、最蓝的恒星)，它们核心燃烧氢的速度快得令人窒息，这种恒星最多只需要几百万年的时间就可以把自己的氢嚯嚯完。但是宇宙中这些O级恒星非常罕见，只占所有恒星的0.1%不到，但它们是整个宇宙中最亮、最亮的恒星，也是宇宙中氢消耗最快的地方。

另一方面，质量最低的恒星，也就是主序m级恒星，在燃烧完所有的氢之前，可能会存在几百亿甚至上万亿年(是目前宇宙年龄的1000多倍)。表面上看，这似乎并不那么重要，但别忘了m级恒星是宇宙中最常见的恒星类型;今天活着的四颗恒星中就有三颗是m级恒星!

你可能会认为，考虑到在过去138亿年的时间里有多少代恒星工厂的诞生和死亡，考虑到地球上和整个太阳系中存在着大量比氢重的元素，今天的宇宙中氢的数量会少得多。

但事实并非如此。

我们的太阳其实最具有代表性了，不大也不小，而且属于第三代恒星，之间已经有恒星在我们这里生存过。太阳是在宇宙超过90亿年的时候在螺旋星系的平面上形成的，螺旋星系是宇宙中最普遍的星系。然而，当我们的太阳形成时，它仍然由（按质量计）71%的氢、27%的氦和大约2%的“其他”物质组成。

如果我们把质量转换成“原子数”，并将太阳视为宇宙中恒星的代表和典型，这意味着在宇宙最初的93亿年里，氢的比例从92%下降到91.1%。

就是这样。氢含量变化怎么会如此微小呢？

我们需要搞清楚的是：恒星的形成一般都是星团出现的，一个星团包含数百、数千颗恒星，我们的太阳也不例外！恒星最终都会彼此分离，并且独立出去！

当分子云坍缩形成恒星时，只有初始云质量的5- 10%最终形成恒星。剩下的绝大多数被最早形成的大质量恒星发出的辐射吹回到星际介质中。

除此之外，所有比M级恒星重的恒星在膨胀成红巨星之前只能燃烧其总燃料的10%。对于质量最低的(M级)恒星，由于“燃烧”的足够慢，整个恒星有时间发生物质对流，将燃烧的燃料从核心移动到外层，并将未燃烧的氢移动到核心继续燃烧；像比邻星这样的恒星最终会将100%的氢转化为氦，这个过程需要几万亿年的时间。

但是每一颗属于较重类别的恒星将燃烧其10%的氢燃料，死于超新星或行星状星云（红巨星后会经历这个阶段），并将绝大部分未燃烧的燃料又返回到星际介质中。

然而宇宙中的星系正在局部结构中慢慢的合并，例如：银河系和仙女星系合并后会横扫周围的小星系（大小麦哲伦星系），星系的合并会造成大量的恒星爆发！

这些恒星爆发的越猛烈，实际上就有越多的氢被完全从星系中排出，抛入到星系空间中！此时，宇宙中大约50%的氢根本不与任何星系结合，只是占据了星系之间的空间，很可能再也不会形成恒星。最重要的是，在宇宙的历史上，总的恒星形成率已经大幅下降；从最大值来看，现在宇宙形成新恒星的速度只有以前的3%。

星系合并后仍然是束缚结构，并且在遥远的未来将继续拥有非常大量的氢。但是很可能不会用今天占主导地位的机制创造出新的恒星，我们其实可以想到，像太阳这样的三代恒星死亡后，基本就终结了！所以要形成新的恒心就需要有新的机制来主导！

但我们预计在数万亿年内(是现在宇宙时代的数百或数千倍)，可能会有更长的时间都会出现新的恒星，只是恒星形成的速度会更慢！

总结：只要宇宙还在，氢永远占主导地位

届时宇宙会变暗，但不会是因为氢耗尽。相反，这是因为剩下的氢不能结合在足够大的分子云中形成更多的恒星。

这只是一个估计，在未来按原子的数量来说，宇宙中氢的含量会降到80%以下。换句话说，我们将会形成大量的氦和大量较重的元素，但是在任何时候，即使我们把理论的时钟运行到无限远，宇宙也将永远主要是氢。从质量上来说，宇宙最终可能会存在不到50%的氢。

80%、50%你可能想知道这个数字有多准确，遗憾的是我们没有足够的理论或计算能力去肯定的说就是这个数，我们也没有足够长的时间去一直观察宇宙的发展。

但是据我们所知，可以肯定的说：氢最初是宇宙中最丰富的元素，只要宇宙还存在，它就会一直保持这种状态。


本文选自：今日头条