Question:
Existe-t-il un processus naturel par lequel l'hydrogène est généré à partir d'éléments plus lourds du cosmos?
jmarina
2013-10-30 15:03:43 UTC
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nous savons que les étoiles fusionnent l'hydrogène en hélium à partir de 3 MK; 13 MK dans le noyau du Soleil; la fusion de carbone commence à plus de 500 millions de K, et la fusion de silicium commence à plus de 2700 millions de K à titre de comparaison; nous savons que la fusion s'arrête au fer, car une étoile doit utiliser plus d'énergie pour fusionner cela qu'elle n'en récupère; donc des éléments plus lourds sont principalement créés dans une supernova (mais aussi possible en petites quantités par des processus spéciaux comme la capture de neutrons); enfin, les étoiles semblables au soleil finissent comme des naines blanches, des étoiles plus grosses comme des étoiles à neutrons, des étoiles quark, des trous noirs; et les trous noirs se convertissent finalement en rayonnement, dans un avenir lointain lorsque la limite de masse stable des trous noirs augmente suffisamment pour que même les trous noirs les plus massifs s'évaporent;

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

Ma question est donc la suivante: est-ce que ce sera comme l'a dit Stephen Baxter, qu'à l'avenir, il ne restera plus que le rayonnement dans l'univers? Plus précisément, existe-t-il un processus naturel par lequel l'hydrogène est rejeté le cosmos, reconverti à partir d'éléments plus lourds, pour régénérer le carburant des étoiles afin que ils peuvent aussi briller dans un avenir lointain?

Bien sûr, nous n'avons pas besoin de nous en préoccuper pour le moment. Cela ne tient compte que de notre préoccupation pour ce qui sera dans 10 à 70 ans.

Trois réponses:
#1
+6
astromax
2013-10-31 01:21:55 UTC
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Il y a quelques questions pertinentes à se poser:

1) Les protons se désintègrent-ils, et si oui, en quoi se désintègrent-ils? La réponse semble être non, ou du moins la durée de vie théorique du proton doit augmenter à la suite de ces expériences. S'ils le font, l'univers pourrait finir par se retrouver dans un état de rayonnement (et d'énergie noire et de matière noire, à moins qu'ils ne se désintègrent également).

2) L'hydrogène est-il un sous-produit de tout processus naturel de désintégration? Vous trouverez ci-dessous un tableau de tous les nucléides connus.

isotopes

Comme vous pouvez le voir, la majorité des éléments (pas nécessairement en nombre ou en masse dans l'univers) se désintègrent à travers un certain type de processus. Il existe une crête «stable» (appelée l'île de stabilité, entourée par la mer d'instabilité) d'éléments qui existeront heureusement pour toujours.

La question est de savoir quels modes de désintégration produisent des protons (noyaux d'hydrogène) ? Eh bien, il y a la désintégration du proton (pas le proton lui-même qui se désintègre), qui est coloré en rouge, même si je dois admettre que je ne sais pas exactement à quoi cela se réfère. Les sous-produits de fission sont les rayons gamma (photons de haute énergie), les neutrons et les noyaux filles (voir Chaîne de désintégration). Cependant, je dois mentionner que les neutrons libres produits à partir de ce type de désintégration radioactive n'ont pas une longue durée de vie, se désintégrant en un proton et un électron (ce processus prend en moyenne environ 11 minutes). Selon cette logique, les isotopes qui se désintègrent en émettant des neutrons, colorés en violet, finiraient également par produire des protons. $ \ beta ^ {-} $ et $ \ beta ^ {+} $ font référence au processus de désintégration bêta, où le signe moins se réfère à l'émission d'un électron et le signe plus à l'émission d'un positron (l'anti- particule de l'électron). $ \ alpha $ decay est l'émission d'un noyau d'hélium, qui est stable.

Maintenant, étant donné qu'il existe des moyens pour les éléments lourds de produire naturellement des protons, la question que je poserais est de savoir quel est le taux de ces processus dans l'univers par rapport aux processus de fusion se produisant au centre des étoiles. Je ne suis pas sûr de pouvoir vous donner une réponse à cette question (ou même vous indiquer le matériel approprié), mais en principe ces tarifs sont connus. J'imagine que ce serait beaucoup de comptabilité pour que tout soit correct.

Wikipedia dit à propos des protons en désintégration nucléaire: «Peu de temps après la découverte du neutron en 1932, Enrico Fermi s'est rendu compte que certaines réactions de désintégration bêta rares produisent immédiatement des neutrons sous forme de particules de désintégration (émission de neutrons). Une émission isolée de protons a finalement été observée dans certains éléments.
Intéressant - je n'ai jamais entendu parler de ce type de processus de désintégration. Ce n'est peut-être pas courant.
J'aime cette réponse (upvote), le diagramme est éclairant, mais je ne peux malheureusement pas choisir 2 réponses. http://en.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_elements ici, nous voyons que l'hydrogène et l'hélium sont 98% de toute la matière baryonique, donc il ne se passe pas beaucoup de désintégration maintenant. Mais dans un avenir lointain, je suis d'accord, la désintégration nucléaire naturelle pourrait probablement être la source dominante de H / He comme vous l'avez dit dans votre commentaire ci-dessus. J'ai recherché la vitesse d'une particule alpha, et il semble qu'elle soit d'environ 5% de la vitesse de la lumière, 15000-20000 km / s en fonction de l'énergie, donc elle va peut-être trop vite pour s'effondrer gravitationnellement et former de nouvelles étoiles.
#2
+5
Moriarty
2013-10-31 08:41:00 UTC
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Il n'est pas possible de diviser un noyau plus grand en noyaux d'hydrogène sans dépenser une plus grande quantité d'énergie que vous recevez . C'est parce que l'hydrogène a (de loin) la plus faible énergie de liaison nucléaire par nucléon (le protium n'a aucune énergie de liaison nucléaire, bien que le deutérium et le tritium en aient). Par conséquent, un tel processus diminuerait l'entropie de l'univers - une violation des lois de la thermodynamique.

Nuclear binding energy curve

Je ne pourrais pas parler pour si ces lois étaient toujours valables s'il y avait un " grand crunch" (bien que les observations actuelles soutiennent un univers en expansion).

Il existe un scénario appelé la mort par la chaleur, où l'univers n'a tout simplement plus d'énergie pour faire quoi que ce soit - c'est-à-dire que tout est complètement uniforme. Il n'y aurait pas de gradients ou d'anisotropies dans la distribution de l'énergie ou de la matière.

Ma question est la suivante: la désintégration nucléaire diminue-t-elle nécessairement l'entropie de l'univers? Je pense que la réponse est non, et si elle est non, il existe de nombreuses façons pour les atomes plus lourds de se désintégrer en hydrogène (voir ma réponse ci-dessous). Cela ne se compare peut-être pas au rythme des processus de fusion qui se produisent dans l'univers aujourd'hui, mais dans un avenir lointain, cela pourrait être la * seule * possibilité.
@astromax - Un atome plus lourd peut se désintégrer en tritium (qui se désintègre ensuite en hélium-3) mais je ne pense pas que quoi que ce soit puisse se désintégrer en protium. Toute désintégration * spontanée * diminuera l'entropie car elle doit libérer de l'énergie. Une désintégration * universelle * en éléments légers libérerait de l'énergie (car beaucoup moins d'énergie est liée à l'énergie de liaison), diminuant ainsi l'entropie. Un état d'entropie maximale dans l'univers se produirait lorsque tout serait devenu fer. (c'est loin de mon domaine de spécialité, alors mise en garde emptor!)
Hmm, je ne suis pas vraiment sûr de vous suivre. Je ne sais pas comment l'entropie de l'univers (en supposant qu'il s'agit d'un système fermé) changerait en raison des processus de désintégration. J'ai cependant parlé à mes collègues et le consensus semble être que l'univers peut finir par être des trous noirs, des radiations et des neutrinos à mesure que t va vers l'infini. La logique ici est que même tous les atomes stables plus grands (le fer est le point final de la fusion, et le plomb est vraiment le point final des processus de fission naturelle) finiront par tomber dans des trous noirs avec suffisamment de temps.
L'autre chose à laquelle il faut penser est de savoir si l'énergie noire déchirera l'univers à des échelles aussi petites que des atomes. La conclusion, du moins à mes yeux, est que nous ne saurons vraiment que si nous en savons plus sur l'énergie noire et la matière noire.
L'argument de l'entropie est centré sur l'idée qu'un système n'est généralement pas propice à la réalisation de processus qui consomment de l'énergie. Donc, si de l'énergie est libérée, l'entropie (* l'incapacité * de faire le travail) d'un système augmente. Le scénario selon lequel l'univers se termine par un grand nombre de trous noirs est une autre hypothèse - même les trous noirs pourraient éventuellement disparaître (rayonnement Hawking, s'il existe). Je suppose qu'ici alors l'entropie sera encore plus grande.
la mort par la chaleur de l'univers est ce que j'essayais d'éviter; Je voulais savoir si ce que font les étoiles, brûler H, est un accord à sens unique, ou si la ressource H est renouvelable; Larry Niven a dit que "l'entropie dans l'univers tend vers un maximum - l'univers est hostile"; c'est pourquoi, du moins avec la technologie actuelle, il est plus facile de détruire quelque chose que de le faire revenir; il est intéressant de noter qu'au-dessus du fer, la fission donne plus d'énergie, et au-dessous du fer, la fusion le fait; mais je ne vois pas clairement comment l'énergie de liaison nucléaire affecte l'hydrogène - ce n'est qu'un proton et un électron; peut-être que cela n'affecte que le deutérium?
@Moriarty ma compréhension est que la masse stable du trou noir est de 3 masses solaires, et que cette limite augmente à mesure que la température de l'univers, actuellement 2,73 Kelvin, diminue en raison de l'expansion; de sorte qu'à mesure que la masse stable des trous noirs augmente, de plus en plus de trous noirs se convertissent en rayonnement; Je pense à l'entropie comme une mesure du désordre - entropie élevée = beaucoup de désordre; faible entropie = système hautement ordonné; besoin de dépenser du temps et de l'énergie pour réduire l'entropie à un endroit, généralement en augmentant l'entropie ailleurs;
@astromax J'ai aussi lu sur la grande déchirure où même les atomes seront déchirés; peut-être que l'univers pourrait être comme une bulle qui éclatera; mais, je ne pense pas que les choses qui se séparent les feront se décomposer au niveau subatomique; dit ici en bas http://wmap.gsfc.nasa.gov/universe/uni_expansion.htmlt que l'univers se développe de 70 km / sec / mpc; si l'univers a un rayon de 13,7 G années-lumière = 4202 mpc alors 70 * 4202 = 294140 km / sec = presque 299794,458 km / s (vitesse de la lumière), donc pour toute son accélération, l'expansion atteint en quelque sorte sa vitesse maximale asymptotique, donc peu probable de déchirer les atomes une part
@astromax, bon point de se demander si l'univers est un système fermé; selon le livre / films The Elegant Universe de Brian Greene, les forces nucléaires fortes / faibles et électromagnétiques sont dans cet univers, mais la gravité peut faire une boucle en dehors de ce que nous percevons comme espace-temps 3D + et seule une partie de celui-ci est ici, donc la gravité pourrait permettre une interaction avec multivers
@jmarina Je pense aussi qu'il est peu probable que l'univers se déchire un jour au niveau atomique. La valeur que vous citez, 70 km / s / Mpc, est l'expansion de l'univers aujourd'hui, mais à l'avenir, ce nombre changera absolument. En fait, si vous pensez savoir de quoi l'univers est fait, vous pouvez très facilement prédire ce que vous attendez de ce nombre.
Il y a ici une confusion totale entre l'entropie et l'énergie. Il n'y a pas d'interdiction des processus endothermiques en raison de considérations entropiques.
#3
+2
Arne
2013-10-30 17:56:26 UTC
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Il semble que les trous noirs primordiaux produisent des anti-protons, et il est sous-entendu dans l'article lié qu'ils sont capables de produire toutes sortes d'autres particules. Alors peut-être même des protons.

De plus, je suppose que lors de réactions de fission naturelle ou de collision de noyaux, il peut y avoir des fragments produits qui sont également des protons uniques.

Les rayons cosmiques semblent se composent principalement de protons. La question est de savoir si ces protons ont été produits dans le Big Bang ou s'ils proviennent d'autres sources. L'article déclare que de nombreux rayons cosmiques proviennent de supernovae. Cependant, cela ne répond pas à la question de savoir si les protons ont été produits dans la supernova à partir d'éléments plus lourds.

Comme je ne suis pas astrophysicien, j'attends volontiers des commentaires ou d'autres réponses!

Edit: j'ai lu un autre mécanisme sur la façon de créer des électrons et des protons: Interaction à deux photons. Je cite l'article Wikipédia:

La loi de conservation de l'énergie fixe une énergie photonique minimale nécessaire à la création d'un couple de fermions: cette énergie seuil doit être supérieure à l'énergie totale de repos des fermions créé. Pour créer une paire électron-positon, l'énergie totale des photons doit être d'au moins 2mec2 = 2 × 0,511 MeV = 1,022 MeV (me est la masse d'un électron et c est la vitesse de la lumière dans le vide), une valeur d'énergie qui correspond aux photons gamma mous. La création d'une paire beaucoup plus massive, comme un proton et un antiproton, nécessite des photons d'énergie de plus de 1,88 GeV (photons gamma durs).

Premiers calculs de taux de production de paires e + –e− en La collision photon-photon a été réalisée par Lev Landau en 1934. 1 Il a été prédit que le processus de création de paires e + –e− (via des collisions de photons) domine dans la collision de particules chargées ultra-relativistes - parce que ces photons sont rayonnés dans des cônes étroits le long de la direction du mouvement de la particule d'origine augmentant considérablement le flux de photons.

Dans les collisionneurs de particules à haute énergie, les événements de création de matière ont produit une grande variété de particules lourdes exotiques précipitées par des jets de photons en collision (voir physique à deux photons). Actuellement, la physique à deux photons étudie la création de diverses paires de fermions à la fois théoriquement et expérimentalement (en utilisant des accélérateurs de particules, des douches d'air, des isotopes radioactifs, etc.).

Donc, en petites quantités électron-positon les paires et les paires de protons anti-protons doivent être créées respectivement par un rayonnement gamma doux et dur (ou d'autres particules de Fermion). Le problème ici encore est que cet événement ne se produira que très rarement, ne produisant pas de matière nouvelle de manière significative. L'article poursuit en disant que c'était la méthode par laquelle la matière a été créée pendant le Big Bang. Mais un seul dans $ 10 ^ {10} $ Fermions aurait survécu pour former la matière actuelle dans l'univers.

Tous ces processus vont probablement pas assez pour former de nouvelles étoiles.

ok donc je voudrais préciser que je ne suis pas pointilleux quant à savoir si l'hydrogène est généré à partir d'éléments plus lourds; s'il provient d'autres sources, c'est bien aussi; ce que je veux en venir, c'est voir si le carburant des étoiles peut être renouvelé pour qu'elles continuent à briller; Je penserais à un problème principal avec les protons des rayons cosmiques (bonne idée d'ailleurs, voter pour cela), bien qu'un atome d'hydrogène soit un proton et un électron, s'il se déplace à une fraction significative de la vitesse de la lumière, je suppose, ont du mal à être affecté par l'effondrement gravitationnel pour former une étoile
Le mouvement est relatif. Peut-être qu'il y aura d'autres protons / atomes d'hydrogène se déplaçant dans la même direction avec la même vitesse ... Je pense que l'argument d'entropie de l'autre réponse est le meilleur. L'univers va tout simplement en lambeaux - très lentement ...


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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