Gibt es einen natürlichen Prozess, durch den Wasserstoff aus schwereren Elementen im Kosmos erzeugt wird?

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wir wissen, dass Sterne ab 3 MK Wasserstoff zu Helium verschmelzen; 13 MK im Kern der Sonne; Die Kohlenstofffusion beginnt bei über 500 Millionen K und die Siliziumfusion beginnt zum Vergleich bei über 2700 Millionen K. Wir wissen, dass die Fusion bei Eisen stoppt, weil ein Stern mehr Energie verbrauchen muss, um das zu verschmelzen, als er zurückbekommt. so werden schwerere Elemente meist in einer Supernova erzeugt (aber auch in kleinen Mengen durch spezielle Prozesse wie Neutroneneinfang möglich); Schließlich enden sonnenähnliche Sterne als weiße Zwerge, größere Sterne als Neutronensterne, Quarksterne, Schwarze Löcher. und Schwarze Löcher wandeln sich schließlich in ferner Zukunft in Strahlung um, wenn die stabile Massengrenze für Schwarze Löcher so hoch steigt, dass selbst die massereichsten Schwarzen Löcher verdunsten.

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

Meine Frage ist also, wird es so sein, wie Stephen Baxter sagte, dass in Zukunft nur noch Strahlung im Universum übrig sein wird? Gibt es da draußen einen natürlichen Prozess, bei dem Wasserstoff in den Kosmos gespuckt wird, der von schwereren Elementen zurückgewandelt wird, um den Treibstoff für Sterne zu regenerieren, damit sie auch in ferner Zukunft leuchten können?

Natürlich müssen wir uns vorerst keine Sorgen machen. Dies berücksichtigt nur unsere Besorgnis über die nächsten 10 bis 70 Jahre.

jmarina
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Antworten:

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Es ist nicht möglich, einen größeren Kern in Wasserstoffkerne aufzuteilen, ohne eine größere Menge an Energie zu verbrauchen, die Sie zurückerhalten . Dies liegt daran, dass Wasserstoff (bei weitem) die niedrigste Kernbindungsenergie pro Nukleon aufweist (Protium hat keine Kernbindungsenergie, obwohl Deuterium und Tritium einige haben). Daher würde ein solcher Prozess die Entropie des Universums verringern - eine Verletzung der Gesetze der Thermodynamik.

Kernbindungsenergiekurve

Ich könnte nicht dafür sprechen, ob diese Gesetze noch gelten würden, wenn es eine " große Krise " gäbe (obwohl aktuelle Beobachtungen ein expandierendes Universum unterstützen).

Es gibt ein Szenario namens Hitzetod , in dem das Universum einfach keine Energie mehr hat, um etwas zu tun - das heißt, alles ist völlig einheitlich. Es würde keine Gradienten oder Anisotropien bei der Verteilung von Energie oder Materie geben.

Moriarty
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Meine Frage an Sie lautet wie folgt: Verringert der nukleare Zerfall notwendigerweise die Entropie des Universums? Ich denke, die Antwort ist nein, und wenn es nein ist, gibt es viele Möglichkeiten für schwerere Atome, in Wasserstoff zu zerfallen (siehe meine Antwort unten). Es ist vielleicht nicht vergleichbar mit der Geschwindigkeit der Fusionsprozesse, die heute im Universum stattfinden, aber in ferner Zukunft ist es möglicherweise die einzige Möglichkeit.
Astromax
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@astromax - Ein schwereres Atom kann in Tritium zerfallen (das dann in Helium-3 zerfällt), aber ich glaube nicht, dass irgendetwas in Protium zerfallen kann. Jeder spontane Zerfall verringert die Entropie, da er Energie freisetzen muss. Ein universeller Zerfall in leichte Elemente würde Energie freisetzen (weil viel weniger Energie an Bindungsenergie gebunden ist) und somit die Entropie verringern. Ein Zustand maximaler Entropie im Universum würde eintreten, wenn sich alles in Eisen verwandelt hat. (Dies ist weit von meinem Spezialgebiet entfernt, also Vorbehalt!)
Moriarty
Hmm, ich bin mir nicht sicher, ob ich dir folge. Ich weiß nicht, wie sich die Entropie des Universums (vorausgesetzt, es ist ein geschlossenes System) aufgrund von Zerfallsprozessen ändern würde. Ich habe jedoch mit meinen Kollegen gesprochen, und der Konsens scheint zu sein, dass das Universum möglicherweise schwarze Löcher, Strahlung und Neutrinos sind, wenn es ins Unendliche geht. Die Logik hier ist, dass sogar alle größeren stabilen Atome (Eisen ist der Endpunkt für die Fusion und Blei ist wirklich der Endpunkt für natürliche Spaltprozesse) bei ausreichender Zeit schließlich in Schwarze Löcher fallen.
Astromax
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@astromax Ich habe auch über den großen Riss gelesen, bei dem sogar Atome auseinandergerissen werden. Vielleicht könnte das Universum wie eine Blase sein, die platzen wird. Aber ich glaube nicht, dass Dinge, die auseinander fliegen, dazu führen, dass sie auf subatomarer Ebene zusammenbrechen. sagt hier unten wmap.gsfc.nasa.gov/universe/uni_expansion.html, dass sich das Universum um 70 km / s / mpc ausdehnt; Wenn das Universum einen Radius von 13,7 G Lichtjahren = 4202 mpc hat, dann 70 * 4202 = 294140 km / s = fast 299794,458 km / s (Lichtgeschwindigkeit). Bei aller Beschleunigung erreicht die Expansion asymptotisch ihre maximale Lichtgeschwindigkeit und es ist unwahrscheinlich, dass Atome zerreißen auseinander
jmarina
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@astromax, guter Punkt, um zu fragen, ob das Universum ein geschlossenes System ist; Laut Brian Greenes Buch / Filmen The Elegant Universe befinden sich die starken / schwachen Kernkräfte und die elektromagnetischen Kräfte in diesem Universum, aber die Schwerkraft kann sich außerhalb dessen bewegen, was wir als 3D + Zeit-Raumzeit wahrnehmen, und nur ein Teil davon ist hier, sodass die Schwerkraft die Interaktion mit ermöglichen könnte multiverses
jmarina
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Es gibt einige relevante Fragen, die man stellen möchte:

1) Zerfallen Protonen und wenn ja, in was zerfallen sie? Die Antwort scheint nein zu sein , oder zumindest muss die theoretische Lebensdauer des Protons als Ergebnis dieser Experimente zunehmen. Wenn sie dies tun, könnte das Universum schließlich in einen Strahlungszustand geraten (und dunkle Energie und dunkle Materie, sofern sie nicht auch zerfallen).

2) Ist Wasserstoff ein Nebenprodukt eines natürlichen Zerfallsprozesses? Nachfolgend finden Sie eine Tabelle aller bekannten Nuklide.

Isotope

Wie Sie sehen können, zerfällt die Mehrheit der Elemente (nicht unbedingt nach Anzahl oder Masse im Universum) durch irgendeine Art von Prozess. Es gibt einen "stabilen" Kamm (genannt die Insel der Stabilität, umgeben vom Meer der Instabilität) von Elementen, die glücklich für immer existieren werden.

ββ+α

Angesichts der Tatsache, dass es für schwere Elemente Möglichkeiten gibt, auf natürliche Weise Protonen zu produzieren, würde ich die Frage stellen, wie schnell diese Prozesse im Universum im Vergleich zu Fusionsprozessen in den Zentren der Sterne ablaufen. Ich bin mir nicht sicher, ob ich Ihnen eine Antwort auf diese Frage geben (oder Sie sogar auf das entsprechende Material verweisen könnte), aber im Prinzip sind diese Preise bekannt. Ich würde mir vorstellen, dass es ziemlich viel Buchhaltung wäre, um es richtig zu machen.

Astromax
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Wikipedia sagt über Protonen im nuklearen Zerfall: »Kurz nach der Entdeckung des Neutrons im Jahr 1932 erkannte Enrico Fermi, dass bestimmte seltene Beta-Zerfallsreaktionen sofort Neutronen als Zerfallsteilchen ergeben (Neutronenemission). In einigen Elementen wurde schließlich eine isolierte Protonenemission beobachtet. «
Arne,
Interessant - ich habe noch nie von einem solchen Zerfallsprozess gehört. Vielleicht ist es nicht üblich.
Astromax
Ich mag diese Antwort (Upvote), das Diagramm ist aufschlussreich, kann aber leider keine 2 Antworten auswählen. en.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_elements hier sehen wir, dass Wasserstoff und Helium 98% aller baryonischen Materie ausmachen, so dass derzeit nicht viel Zerfall stattfindet. Aber ich stimme zu, dass in ferner Zukunft der natürliche nukleare Zerfall wahrscheinlich die dominierende Quelle für H / He sein könnte, wie Sie in Ihrem obigen Kommentar gesagt haben. Ich habe die Geschwindigkeit eines Alpha-Teilchens nachgeschlagen und es scheint, dass es ungefähr 5% der Lichtgeschwindigkeit beträgt, 15000-20000 km / s, abhängig von der Energie, so dass es möglicherweise zu schnell geht, um durch Gravitation zusammenzubrechen und neue Sterne zu bilden.
Jmarina
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Es scheint, dass ursprüngliche Schwarze Löcher Anti-Protonen produzieren, und der verlinkte Artikel impliziert, dass sie in der Lage sind, alle Arten anderer Partikel zu produzieren. Also vielleicht sogar Protonen.

Ich vermute auch, dass während natürlicher Spalt- oder Kernkollisionsreaktionen Fragmente entstehen können, die auch einzelne Protonen sind.

Kosmische Strahlen scheinen hauptsächlich aus Protonen zu bestehen . Die Frage ist, ob diese Protonen im Urknall produziert wurden oder ob sie aus anderen Quellen stammen. Der Artikel besagt, dass viele kosmische Strahlen von Supernovae stammen. Dies beantwortet jedoch nicht die Frage, ob die Protonen in der Supernova aus schwereren Elementen hergestellt wurden.

Da ich kein Astrophysiker bin, warte ich gerne auf Kommentare oder andere Antworten!

Bearbeiten: Ich habe über einen anderen Mechanismus zur Erzeugung von Elektronen und Protonen gelesen: die Zwei-Photonen-Wechselwirkung . Ich zitiere den Wikipedia-Artikel:

Das Energieerhaltungsgesetz legt eine minimale Photonenenergie fest, die für die Erzeugung eines Fermionspaares erforderlich ist: Diese Schwellenenergie muss größer sein als die gesamte Ruheenergie der erzeugten Fermionen. Um ein Elektron-Positron-Paar zu erzeugen, muss die Gesamtenergie der Photonen mindestens 2 mec2 = 2 × 0,511 MeV = 1,022 MeV betragen (me ist die Masse eines Elektrons und c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum), ein entsprechender Energiewert zu weichen Gammastrahlenphotonen. Die Erzeugung eines viel massereicheren Paares wie eines Protons und eines Antiproton erfordert Photonen mit einer Energie von mehr als 1,88 GeV (harte Gammastrahlenphotonen).

Erste Berechnungen der Geschwindigkeit der Produktion von e + -e− -Paaren bei der Photon-Photon-Kollision wurden 1934 von Lev Landau durchgeführt. 1 Es wurde vorhergesagt , dass der Prozess von e + -E- Paarerzeugung (über Kollisionen von Photonen) vorherrscht in Kollision von ultra- relativistisch geladene Teilchen - weil diese Photonen in engen Kegeln entlang der Bewegungsrichtung des ursprünglichen Teilchens abgestrahlt werden und den Photonenfluss stark erhöhen.

In Hochenergie-Teilchenkollidern haben Materieerzeugungsereignisse eine Vielzahl exotischer schwerer Teilchen hervorgebracht, die aus kollidierenden Photonenstrahlen ausfallen (siehe Zwei-Photonen-Physik). Derzeit untersucht die Zwei-Photonen-Physik die Erzeugung verschiedener Fermionenpaare sowohl theoretisch als auch experimentell (unter Verwendung von Teilchenbeschleunigern, Luftduschen, radioaktiven Isotopen usw.).

1010 Fermionen hätte überlebt, um die aktuelle Materie im Universum zu bilden.

Alles in allem werden diese Prozesse wahrscheinlich nicht ausreichen, um neue Sterne zu bilden.

Arne
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ok, also möchte ich klarstellen, dass ich nicht wählerisch bin, ob der Wasserstoff aus schwereren Elementen erzeugt wird; wenn es aus anderen Quellen kommt, ist das auch gut; Ich möchte sehen, ob der Treibstoff für Sterne erneuert werden kann, damit sie weiter leuchten können. Ich würde ein primäres Problem mit Protonen aus kosmischen Strahlen denken (gute Idee übrigens, dafür zu stimmen), obwohl ein Wasserstoffatom ein Proton und ein Elektron ist, wenn es sich mit einem signifikanten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit bewegt, würde es, wie ich erwarte, finde es schwierig, vom Gravitationskollaps betroffen zu sein, um einen Stern zu bilden
jmarina
Bewegung ist relativ. Vielleicht bewegen sich andere Protonen / Wasserstoffatome mit der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche Richtung ... Ich denke, das Entropieargument aus der anderen Antwort ist am besten. Das Universum wird einfach zerreißen - sehr langsam ...
Arne