宇宙中的氢元素永远无法用完吗？为什么新恒星会不断形成？

前言

氢元素是宇宙中最为简单的元素，成为许多恒星的主要“燃料”，恒星依靠此发起核聚变反应，并能够在宇宙空间中释放出巨大的能量。大多数人会认为，当恒星消亡后，其落下的残留物质不会再次形成新的恒星，因为“燃料”已经用尽，而事实却并非如此。科学家发现，新一代的恒星可以形成，且这些新的恒星是由旧的恒星落下的残留物质形成的。这种现象的背后到底是什么原因，为什么消亡的恒星还能形成新的恒星？

恒星的消逝

在各种遥远的星系里，新旧恒星的出现与消逝一直是宇宙中不可或缺的过程。恒星的燃料通常是氢元素，而大部分恒星在其生命周期内，氢元素的聚变反应都发生在其核心区域内。这一点导致恒星只会在核心反应区域释放出排斥力，形成一股向外的“辐射压”，恒星得以抵消引力坍缩的力量。然而，恒星在消亡的过程中，物质密度会大幅增加，残余的物质会分布在相对密集的区域中，通过引力作用，物质不断地向恒星中心的小区域聚拢，所以恒星暴发成为超新星会释放出更多的物质，这些物质会扩散到周围的空间中，进而加入到更多新的星形成的过程中。

恒星燃料的浪费

恒星内部核聚变反应需要极高的温度，毕竟原子核具有静电反斥力。“引力坍缩”使恒星满足核聚变所需要的温度，从能量的角度来看，这意味着恒星质量所形成的引力势能可以转变成大量的热能。然而，由于恒星内部这种极端的温度只会在核心反应区域发生核聚变，离核心区域更远的物质温度就会越来越低，不再适宜进行核聚变反应。因此，恒星只在其核心区域发生核聚变反应，并形成向外的“辐射压”，防止恒星进一步坍缩。超大质量的恒星内核反应激烈，所以它们形成“辐射层”，难以吸收外层氢元素，导致氢元素的大量浪费。较小质量的恒星内核反应相对较弱，不形成“辐射层”，外层氢元素得以通过对流运动进入“核心反应区”，从而充分利用恒星的所有氢元素。

新一代恒星形成原因

当恒星耗尽其氢元素燃料的时候，其会进一步演化成红巨星，最后演变成白矮星或中子星，仅留下微弱的残余物质。但这种残留物质本身具有质量，密度又相对较高，因此引力会使它们逐渐凝聚在一起形成新的恒星。这些新恒星的质量能够通过吸收周围的氢元素而快速增长，形成新的恒星。而宇宙中恒星的数量是如此庞大，其消耗的氢元素在比例上极为有限，恒星消亡后的残留物质只是其中很少一部分，另外一方面，宇宙中的氢元素数量极为丰富。笼统地说，氢元素的浪费和用不完这两个原因是可以同时存在的。

宇宙氢元素的丰富

氢元素是宇宙中最为简单的元素，来自于宇宙大爆炸的初期。大爆炸之后，氢元素迅速形成，之后出现了“原始核合成功率”，最后生成了婴儿宇宙中几乎所有的氢和部分氦元素。其后，宇宙中就开始了恒星的形成和消逝的周期，但是宇宙中的氢元素还是非常丰富的。大量的氢元素还散布在宇宙的各个角落，等待恒星使用。“大爆炸宇宙论”认为，在宇宙诞生的时候，已经形成了大量的质子和中子，这些质子就是氢原子核。在大爆炸之后，氢元素成为宇宙中最为丰富的元素，占据了宇宙中物质的绝对数量。在大约35分钟之后，宇宙的温度和密度下降，原始核合成功率结束，宇宙中已经生成了大约25%的轻元素，其中绝大多数都是氦，还有一些氢和少量的锂。宇宙中氢元素的总量非常庞大，用不完实在是极为困难的事情。

结论

综上所述，即使消亡了，恒星留下的残留物质仍然可以形成新的恒星，这主要有两个原因：一是恒星内核聚变反应很浪费，只有少量的元素进入核心区域，并通过核聚变反应释放出能量，难以充分利用。此外，超大质量的恒星会形成“辐射层”，难以吸收外层氢元素，导致更多的氢元素浪费。相比之下，小质量恒星没有“辐射层”，可以通过对流运动将外层氢元素运输到核心区域，从而充分利用氢元素。二是宇宙中的氢元素非常丰富，消耗氢元素的比例非常小。大爆炸之后，宇宙中就已经形成了大量的氢元素，即使经历了数百亿年的恒星形成和消失过程，仍有大量的氢元素存在于宇宙之中。因此，宇宙在相当长时间内还将继续形成新的恒星。