为什么在元素周期表中,氢元素会被排在首位呢?

答案很简单:因为氢元素是最基础、最简单的元素,且在宇宙诞生之初,氢元素就已经存在了。

那么,你有没有想过氢又是怎么来的呢?而且宇宙中的恒星进行核聚变,本质还是在不断消耗氢的,宇宙中的氢有一天会不会被用完呢?

万物起源的催化剂

137亿年前,随着一声巨响,宇宙诞生了。偌大的宇宙在一瞬间极速膨胀和降温,为氢元素的出现提供了温床。其实了解过宇宙演化问题的朋友会发现,从一定角度来讲,并不是宇宙孕育了氢元素,而是氢元素促使了宇宙万物的诞生和演化。

首先,在宇宙诞生之初,广袤的空间里并没有如今这番星汉灿烂的景象,更多的是由大量氢元素组成的尘埃星云。尘埃星云是孕育恒星的摇篮。

就拿太阳系来说,大约在50亿年前,太阳还没出生,太阳系所在的位置只有一片星云,某一天附近的一颗超新星产生了爆炸,受到力的作用冲击后,星云中心产生坍缩,最终太阳和原始行星盘出现了,而在这个过程中,氢元素成为了主要力量,完成了原始恒星的基础塑造。

当完成恒星的基本塑性后,氢元素还要变成一剂催化剂,为其它元素的诞生创造条件。而这个过程有一个耳熟能详的名字叫做核聚变。想要成为一名合格的恒星,必须要能够实现核聚变。

我们还是以太阳为例,太阳为什么每时每刻都在释放巨大的热能?其实就跟其体内的氢元素核聚变有关。

在太阳体内,每时每刻都有大量的氢原子核相互抱团形成质量更重的氦原子核,在这个过程中,四个氢原子核合并,形成了质量更重的氦原子核,但也同时会释放出来两个正电子和两个中微子。

这个释放的过程,我们可以理解为就是太阳能够释放能量的主要来源。

虽然在核聚变领域,还有氦核聚变,甚至是铁元素核聚变,但是他们都是需要在氢元素作用的基础上实现转变。作为宇宙中最原始、最简单的元素,氢元素每时每刻都在发挥的作用,为宇宙的演化、恒星以及行星的诞生提供条件。

这就是为什么人类长久以来都致力于研究氢元素。

一旦体内的氢元素耗尽,恒星的生命将面临什么?

和人类一样,恒星也会经历生命的不同阶段,从少年到壮年,从暮年到死亡。没错,我们赖以生存的太阳并不能永远照耀着人类,终有一天它也会失去光芒,走向死亡。

太阳作为一个恒星,经历了大约50亿年的演化后,现在正处于主序星阶段,相当于人类的壮年时段,这个时候的太阳体内蕴藏着大量的氢元素,而这些氢元素没闲着,氢原子核不断聚合在一起,形成氦原子核,从而释放能量。

但是,一颗恒星体内的氢元素并不是无穷无尽的,它像是不再补充粮食的粮仓,只出不进,所以总有一天,氢元素会被彻底耗尽。

氢元素的耗尽代表着恒星要从主序星阶段走向了红巨星阶段,由于氢元素已经不能再进行核聚变,所以转为由氦原子核作为原材料的氦原子核,所以恒星向外释放的能量要远大于恒星受到的向内引力,这时恒星会急速膨胀成比原来主序星阶段大200倍的红巨星。

和氢元素一样,氦元素也会有使用完的一天,所以后续恒星体内还会进行碳元素、氧元素的核聚变,直到其它的元素都耗尽,只剩下铁元素。恒星的红巨星阶段终止,随着一场爆炸,变成了一颗白矮星。

那么为什么铁元素不能继续进行核聚变呢?这是因为在核聚变的过程中,需要释放大量的能量,而一旦铁元素参与到核聚变中,释放的能量比此时恒星体内全部能量加起来的总数还要高,所以当恒星体内只剩下铁元素时,红巨星会迅速的将外部的物质抛洒到太空中去,只剩下一个致密内核——白矮星。

对于太阳来说,白矮星也不是生命的终点,慢慢的,体内的元素会全部耗尽,唯一残留的光芒也将熄灭,最终变成一颗黑暗冰冷的黑矮星,永远的定格在那里。

在茫茫宇宙中,一颗恒星从氢元素开始,在氢元素的催化下,从壮年到暮年,再到生命的终点,可以说在恒星的一生中,氢元素是恒星生命的起点,也是终点。

不同质量的恒星面临不同的结局

作为一颗正值壮年的恒星,氢元素每时每刻都在消耗,而且质量越大的恒星,为了能够正常的自我运作,所以每次核聚变所使用的氢元素数量也越多。

然而,参与核聚变的氢只是位于核心反应区的氢,在外壳的氢,由于恒星核聚变会形成一个“辐射层”,导致它们无法进入内部,所以就算恒星爆发了,也有许多氢会被剩下来。

这也就是为什么,一些比太阳大几百倍甚至几千倍的恒星,它们的寿命往往很短暂。而那些远小于太阳的恒星,可能已经存在了上百亿年,仍未进入暮年阶段。

在整个宇宙中,恒星的数量多如牛毛,恒星的质量也千差万别,这其中,太阳的质量可以算是一个标杆,下面我们就以太阳为标准,来看看不同质量的恒星,最终会走向怎样不同的命运。

对于所有的恒星而言,从主序星到红巨星这个过程都是一样的,分叉口就出现在红巨星状态结束的时候。太阳作为宇宙中质量适中的恒星,最终会变成白矮星,并维持这一状态很长时间。但是比太阳质量大的恒星,在成为白矮星的时候,质量一旦突破了钱德拉塞卡极限,那么会立刻产生爆炸,这就是传说中的超新星爆炸,爆炸结束后,一颗高速旋转的中子星就诞生了。

这里钱德拉塞卡极限其实就是指,白矮星的质量是太阳的1.4倍时,爆炸就会产生。在这个基础上,当更大的恒星变成了中子星时,又会突破一个名为奥本海默极限的数值,也就是说此时形成中子星的质量一旦突破太阳的2倍,那么中子星的状态会变得极其不稳定,最终再次进行坍缩,最后形成宇宙深渊——黑洞。

宇宙从一个致密的原子爆炸而来,为氢元素的出现提供了温床,当宇宙中充斥着大量的氢元素后,宇宙诞生和演化的舞台就拉开了序幕。

直到现在,恒星还在不断使用着宇宙中的氢元素,它们或许总有一天被用光,但这些氢元素简直多到离谱,或许需要数百亿年才能消耗殆尽,但那时的人类文明大概率已经不再存续,也就不用在乎氢会被用完的终极宇宙难题了。

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