Soru:
Evrendeki daha ağır elementlerden hidrojenin üretildiği doğal bir süreç var mı?
jmarina
2013-10-30 15:03:43 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Yıldızların hidrojeni 3 MK'den başlayarak helyuma dönüştürdüğünü biliyoruz; Sun'ın çekirdeğinde 13 MK; karbon füzyonu 500 milyon K'nin üzerinde başlar ve silikon füzyonu karşılaştırma için 2700 milyon K'nin üzerinde başlar; demirde füzyon durduğunu biliyoruz, çünkü bir yıldız bunu kaynaştırmak için geri aldığından daha fazla enerji kullanmak zorundadır; bu nedenle çoğunlukla daha ağır elementler oluşur bir süpernovada (ancak nötron yakalama gibi özel işlemlerle küçük miktarlarda da mümkündür); sonunda güneş benzeri yıldızlar beyaz cüceler, daha büyük yıldızlar ise nötron yıldızları, kuark yıldızları, kara delikler olarak son bulurlar ve kara delikler nihayetinde kendilerini radyasyona dönüştürürler. uzak bir gelecekte, kararlı kara delik kütle sınırı, en büyük kara deliklerin bile buharlaşacağı kadar yükseldiğinde;

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

Öyleyse sorum şu, Stephen Baxter'ın dediği gibi, gelecekte evrende sadece radyasyon kalacak mı? Spesifik olarak, hidrojenin fışkırdığı doğal bir süreç var mı? yıldızların yakıtını yeniden oluşturmak için ağır elementlerden geri dönüştürülen kozmos, uzak gelecekte de parlayabilirler mi?

Elbette şimdilik bunun için endişelenmemize gerek yok. Bu yalnızca bundan 10 ^ 70 yıl sonra ne olacağına dair endişelerimizi dikkate alıyor.

üç yanıtlar:
#1
+6
astromax
2013-10-31 01:21:55 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Sorulacak birkaç alakalı soru var:

1) Protonlar bozunur mu ve eğer öyleyse, neye dönüşürler? Cevap hayır gibi görünüyor veya en azından protonun teorik ömrü bu deneylerin bir sonucu olarak artmalıdır. Eğer yaparlarsa, sonunda evren bir radyasyon durumuna (ve karanlık enerji ve karanlık madde, onlar da bozunmadıkça) ulaşabilir.

2) Hidrojen herhangi bir doğal bozunma sürecinin bir ürünü midir? Aşağıda, bilinen tüm çekirdeklerin bir tablosu bulunmaktadır.

isotopes

Gördüğünüz gibi, elementlerin çoğunluğu (evrendeki sayı veya kütleye göre olması gerekmez) bir tür süreç. Sonsuza kadar mutlu bir şekilde var olacak elementlerden oluşan 'kararlı' bir sırt (istikrarsızlık denizi ile çevrili) vardır.

Soru, hangi bozunma modlarının protonları (Hidrojen çekirdekleri) ürettiğidir. ? Pekala, kırmızı renkte olan proton bozunması (protonun bozunması değil) var, ancak bunun tam olarak ne anlama geldiğini bilmediğimi itiraf etmem gerekiyor. Fisyon ikili ürünleri gama ışınları (yüksek enerjili fotonlar), nötronlar ve yavru çekirdeklerdir (bkz. Bozunma zinciri). Yine de, bu tür radyoaktif bozunmalardan üretilen serbest nötronların uzun ömürlü olmadığını, bir proton ve bir elektrona bozunduğunu belirtmeliyim (bu işlem ortalama olarak yaklaşık 11 dakika sürer). Bu mantıkla, mor renkli nötronlar yayarak bozunan izotoplar da sonunda proton üretecektir. $ \ beta ^ {-} $ ve $ \ beta ^ {+} $, eksi işareti bir elektron emisyonunu ve artı işareti bir pozitron emisyonunu (anti- elektron parçacığı). $ \ alpha $ bozunma, stabil olan bir Helyum çekirdeğinin emisyonudur.

Şimdi, ağır elementlerin doğal olarak proton üretmesinin yolları olduğu düşünüldüğünde, soracağım soru, yıldızların merkezlerinde meydana gelen füzyon süreçlerine kıyasla bu süreçlerin evrendeki oranı nedir. Size bu soruya bir cevap verebileceğimden emin değilim (hatta sizi uygun malzemeye yönlendirebilirim), ancak prensipte bu oranlar bilinmektedir. Bunu düzeltmek için oldukça fazla muhasebe olacağını tahmin ediyorum.

Wikipedia nükleer bozunumdaki protonlar hakkında şunları söylüyor: »Nötronun 1932'de keşfedilmesinden kısa bir süre sonra, Enrico Fermi belirli nadir beta bozunma reaksiyonlarının hemen bir bozunma partikülü (nötron emisyonu) olarak nötron verdiğini fark etti. İzole edilmiş proton emisyonu sonunda bazı elementlerde gözlemlendi. «
İlginç - Bu tür bir bozulma sürecini hiç duymadım. Belki yaygın değildir.
Bu cevabı beğendim (olumlu oy), diyagram aydınlatıcı ama maalesef 2 cevap seçemiyorum. http://en.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_elements burada hidrojen ve helyumun tüm baryonik maddenin% 98'ini oluşturduğunu görüyoruz, dolayısıyla şu anda çok fazla bozulma olmuyor. Ancak uzak gelecekte, katılıyorum, yukarıdaki yorumunuzda söylediğiniz gibi, doğal nükleer bozulma muhtemelen H / He için baskın kaynak olabilir. Bir alfa parçacığının hızına baktım ve ışık hızının yaklaşık% 5'i, enerjiye bağlı olarak 15000-20000km / sn gibi görünüyor, bu yüzden yerçekimsel olarak çöküp yeni yıldızlar oluşturmak için çok hızlı gidiyor olabilir.
#2
+5
Moriarty
2013-10-31 08:41:00 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Geri aldığınızdan daha fazla enerji harcamadan daha büyük bir çekirdeği hidrojen çekirdeklerine bölmek mümkün değildir. Bunun nedeni Hidrojenin nükleon başına en düşük nükleer bağlanma enerjisine sahip olmasıdır (protium sıfır nükleer bağlanma enerjisine sahiptir, ancak döteryum ve trityumda bir miktar vardır). Bu nedenle, böyle bir süreç, termodinamik yasalarının ihlali anlamına gelen evrenin entropisini azaltır .

Nuclear binding energy curve

Bunun adına konuşamadım " büyük bir çatırtı" olsaydı bu yasalar yine de geçerli olsaydı (mevcut gözlemler genişleyen bir evreni desteklese de).

Isı ölümü, evrenin herhangi bir şeyi yapacak enerjisi kalmadığı - yani, her şey tamamen tek tiptir. Enerji veya maddenin dağılımında gradyanlar veya anizotropiler olmayacaktı.

Size sorum şu: Nükleer bozunma evrenin entropisini zorunlu olarak azaltır mı? Cevabın hayır olduğunu düşünüyorum ve hayır ise, daha ağır atomların Hidrojene bozunmasının birçok yolu var (aşağıdaki cevabıma bakın). Bugün evrende meydana gelen füzyon süreçlerinin hızıyla karşılaştırılamayabilir, ancak uzak gelecekte * tek * olasılık olabilir.
@astromax - Daha ağır bir atom trityuma bozunabilir (bu daha sonra helyum-3'e dönüşür) ancak hiçbir şeyin protiuma dönüşebileceğini sanmıyorum. Herhangi bir * kendiliğinden * bozulma entropiyi azaltacaktır çünkü enerjiyi serbest bırakmak zorundadır. Hafif elementlere * evrensel * bir bozulma, enerjiyi serbest bırakır (çünkü bağlanma enerjisine çok daha az enerji bağlanır), böylece entropiyi azaltır. Evrendeki maksimum entropi durumu, her şey demire dönüştüğünde meydana gelir. (bu benim uzmanlık alanımdan çok uzak, bu yüzden ihtar!)
Hmm, seni takip ettiğimden pek emin değilim. Evrenin entropisinin (kapalı bir sistem olduğunu varsayarak) bozulma süreçleri nedeniyle nasıl değişeceğini bilmiyorum. Bununla birlikte, meslektaşlarımla konuştum ve fikir birliği, sonsuza giderken evrenin kara delikler, radyasyon ve nötrinolar haline gelebileceği yönünde görünüyor. Buradaki mantık, daha büyük kararlı atomların bile (Demir, füzyonun son noktasıdır ve Kurşun gerçekten doğal fisyon süreçleri için son noktadır), yeterli zaman verildiğinde sonunda kara deliklere düşecektir.
Düşünülmesi gereken diğer bir şey de karanlık enerjinin evreni atomlar kadar küçük ölçeklerde parçalara ayırıp ayırmayacağıdır. Sonuç, en azından benim gözümde, hem karanlık enerji hem de karanlık madde hakkında daha fazla şey bilmediğimiz sürece gerçekten bilmeyeceğimizdir.
Entropi argümanı, bir sistemin genellikle enerji tüketen süreçleri gerçekleştirmeye elverişli olmadığı fikri etrafında toplanır. Dolayısıyla, enerji salınırsa, bir sistemin entropisi (iş yapma * yetersizliği *) artar. Evrenin çok sayıda kara delik olarak sona erdiği senaryosu başka bir hipotezdir - kara delikler bile sonunda yok olabilir (eğer varsa Hawking radyasyonu). Sanırım burada o zaman entropi daha da büyük olacak.
Evrenin ısı ölümü benim kaçınmaya çalıştığım şeydi; Yıldızların ne yaptığını, H'yi yakmanın tek yönlü bir anlaşma mı yoksa H kaynağının yenilenebilir mi olduğunu bilmek istedim; Larry Niven "evrendeki entropi maksimuma doğru eğilimlidir - evren düşmancadır"; en azından mevcut teknolojiyle bir şeyi yok etmek, geri kazanmaktan daha kolay olmasının nedeni bu olmalı; İlginçtir ki demirin üstünde fisyon daha fazla enerji verir ve demirin altında füzyon verir; ama nükleer bağlanma enerjisinin hidrojeni nasıl etkilediği benim için net değil - bu sadece bir proton ve elektrondur; belki sadece döteryumu etkiler?
@Moriarty benim anlayışıma göre, kararlı karadelik kütlesinin 3 güneş kütlesi olduğu ve bu sınırın, evrenin şu anda 2.73 Kelvin olan sıcaklığı genişleme nedeniyle azaldıkça arttığı; böylece kararlı kara delik kütlesi arttıkça, daha fazla karadelik kendilerini radyasyona dönüştürecektir; Entropiyi düzensizliğin bir ölçüsü olarak düşünüyorum - yüksek entropi = çok sayıda düzensizlik; düşük entropi = yüksek düzenli sistem; tipik olarak başka yerlerde entropiyi artırarak, tek bir yerde entropiyi azaltmak için zaman ve enerji harcama ihtiyacı;
@astromax Atomların bile parçalanacağı büyük yarık hakkında da okudum; belki evren patlayacak bir balon gibi olabilir; ancak, parçalanan şeylerin atom altı seviyede parçalanmalarına neden olacağını düşünmüyorum; burada en altta http://wmap.gsfc.nasa.gov/universe/uni_expansion.htmlevrenin 70 km / sn / mpc genişlediğini söylüyor; Evrenin 13.7G ışık yılı yarıçapı = 4202 mpc ise 70 * 4202 = 294140km / sn = neredeyse 299794.458km / sn (ışık hızı), yani tüm hızlanması için genişleme bir nevi asimptotik olarak maksimum ışık hızına ulaşıyor, dolayısıyla atomları parçalama olasılığı düşük ayrı
@astromax,, evrenin kapalı bir sistem olup olmadığını sorgulamak için iyi bir nokta; Brian Greene'nin The Elegant Universe kitabına / filmlerine göre, güçlü / zayıf nükleer kuvvetler ve elektromanyetik bu evrendedir, ancak yerçekimi bizim 3B + zaman uzay-zaman olarak algıladığımız şeyin dışında dönebilir ve bunun sadece bir kısmı buradadır, bu nedenle yerçekimi ile etkileşimi mümkün kılabilir. çoklu evrenler
@jmarina Ayrıca, evrenin atom seviyesinde parçalanma ihtimalinin düşük olduğunu düşünüyorum. Alıntı yaptığınız değer, 70 km / sn / Mpc, evrenin bugünkü genişlemesidir, ancak gelecekte bu sayı kesinlikle değişecektir. Aslında, evrenin neyden yapıldığını bildiğinizi düşünüyorsanız, bu sayının ne olmasını beklediğinizi çok kolay bir şekilde tahmin edebilirsiniz.
Burada entropi ve enerji arasında tam bir kafa karışıklığı var. Entropik düşünceler nedeniyle endotermik süreçler üzerinde herhangi bir yasak yoktur.
#3
+2
Arne
2013-10-30 17:56:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Görünüşe göre ilkel kara delikler anti protonlar üretir ve bağlantılı makalede her türden diğer parçacıkları üretebilecekleri ima edilir. Öyleyse belki protonlar bile olabilir.

Ayrıca, doğal fisyon veya çekirdek çarpışma reaksiyonları sırasında, aynı zamanda tek proton olan fragmanların da üretilebileceğini tahmin ediyorum.

Kozmik ışınlar birincil olarak protonlardan oluşur. Soru, bu protonların büyük patlamada mı yoksa başka kaynaklardan mı üretildiğidir. Makale, birçok kozmik ışının süpernovalardan kaynaklandığını belirtiyor. Ancak bu, protonların süpernovada daha ağır elementlerden üretilip üretilmediğine dair soruyu yanıtlamaz.

Astrofizikçi olmadığım için memnuniyetle yorumları veya başka cevapları bekliyorum!

Düzenleme: Elektronların ve protonların nasıl yaratılacağına dair başka bir mekanizma hakkında okudum: İki Foton etkileşimi. Wikipedia makalesine atıfta bulunuyorum:

Enerjinin korunumu yasası, bir çift fermiyonun oluşturulması için gereken minimum foton enerjisini belirler: bu eşik enerjisi, fermiyonların toplam dinlenme enerjisinden daha büyük olmalıdır. oluşturuldu. Bir elektron-pozitron çifti oluşturmak için, fotonların toplam enerjisinin en az 2mec2 = 2 × 0.511 MeV = 1.022 MeV olması gerekir (me bir elektronun kütlesi ve c, boşluktaki ışığın hızıdır), buna karşılık gelen bir enerji değeri yumuşak gama ışını fotonlarına. Bir proton ve antiproton gibi çok daha büyük bir çiftin yaratılması, 1,88 GeV'den (sert gama ışını fotonları) daha fazla enerjiye sahip fotonlar gerektirir.

E + –e− çifti üretim oranının ilk hesaplamaları foton-foton çarpışması 1934 yılında Lev Landau tarafından yapıldı. 1 Ultra-göreceli yüklü parçacıkların çarpışmasında e + –e− çifti oluşturma sürecinin (fotonların çarpışması yoluyla) hakim olduğu tahmin edildi - çünkü bu fotonlar, foton akışını büyük ölçüde artıran orijinal parçacığın hareket yönü boyunca dar koniler halinde yayılır.

Yüksek enerjili parçacık çarpıştırıcılarında, madde yaratma olayları, çarpışan foton jetlerinden çöken çok çeşitli egzotik ağır parçacıklar ortaya çıkardı (bkz. iki foton fiziği). Şu anda, iki foton fiziği hem teorik hem de deneysel olarak (parçacık hızlandırıcıları, hava duşları, radyoaktif izotoplar vb. Kullanarak) çeşitli fermiyon çiftlerinin oluşumunu araştırıyor.

Yani, küçük miktarlarda elektron-pozitron çiftleri ve proton anti-proton çiftleri sırasıyla yumuşak ve sert gama radyasyonu (veya diğer Fermion parçacıkları) ile oluşturulmalıdır. Yine buradaki sorun, bu olayın önemli ölçüde yeni madde üretmeyerek çok nadiren gerçekleşmesidir. Makale, Büyük Patlama sırasında maddenin yaratıldığı yöntemin bu olduğunu söylemeye devam ediyor. Ancak, evrendeki mevcut maddeyi oluşturmak için 10 $ ^ {10} $ Fermiyondan yalnızca biri hayatta kalabilirdi.

Tüm bu süreçlerde yeni yıldızlar oluşturmak için muhtemelen yeterli olmayacak.

Tamam, bu yüzden hidrojenin daha ağır elementlerden oluşup oluşmadığı konusunda seçici olmadığımı açıklığa kavuşturmak isterim; başka kaynaklardan geliyorsa bu da iyidir Ulaşmak istediğim şey, yıldızların yakıtının parlamaya devam edebilmek için yenilenip yenilenemeyeceğini görmek; Bir hidrojen atomu bir proton ve bir elektron olmasına rağmen, kozmik ışınlardan protonlarla ilgili birincil bir sorun olduğunu düşünürdüm (bunun için iyi bir fikir btw), ancak ışık hızının önemli bir kısmında yol alırsa, bence, bir yıldız oluşturmak için yerçekimi çöküşünden etkilenmeyi zor buluyorlar
Hareket görecelidir. Belki aynı yönde aynı hızda hareket eden başka protonlar / hidrojen atomları olacaktır ... Bence diğer cevaptaki entropi argümanı en iyisidir. Evren basitçe parçalanacak - çok yavaş ...


Bu Soru-Cevap, otomatik olarak İngilizce dilinden çevrilmiştir.Orijinal içerik, dağıtıldığı cc by-sa 3.0 lisansı için teşekkür ettiğimiz stackexchange'ta mevcuttur.
Loading...