7. august 2025

Hvor mange atomer er der i Universet, og kommer der flere eller færre?

Spørgsmål:

Vi render vel alle rundt med et kulstofatom, som har siddet i en dinosaur (eller dens afføring), men antallet af atomer kan ikke være konstant i Universet. Dels er der fission, hvor et tungt atom bliver spaltet til to lettere atomer, dels er der fusion, hvor to atomer bliver smeltet sammen til et atom, f.eks brint til helium.

Såvidt jeg kan fornemme, er fission langt mere sjælden end fusion, som jo sker i alle stjerner, og derfor bør antallet af atomer i universet konstant blive mindre, selvom det muligvis er marginale størrelser, vi taler om.

Har jeg forstået det rigtigt?

Med venlig hilsen
Søren Nielsen

Galakse

Svar:

Hej Søren,
Universet er fuld af atomer, som både smelter sammen og splittes ad. Så hvad sker oftest? Kommer der samlet set færre eller flere?

Lad os starte med at se på, hvor mange der er.

Hvor mange atomer er der i Universet?

Først er vi nødt til lige at præcisere, hvad vi mener med "Universet." Vi ved ikke, om Universet er endeligt eller uendeligt stort. Vi kan kun se den del af Universet, hvorfra lys har haft tid til at nå os siden Big Bang. Big Bang fandt sted for 13.8 mia. år siden, men i mellemtiden har Universet udvidet sig, så det fjerneste vi teoretisk set kan se er i dag 46.2 mia. lysår væk (i praksis kan vi dog kun se 45.3 mia. lysår væk).

Den "boble," i hvis centrum vi sidder og kigger 46.2 mia. lysår i alle retninger, kalder vi "det observerbare Univers." Det virker naturligt at antage, at Universet længere væk i det store hele ligner det, vi kan se, men vi ved det altså ikke.

Men når vi taler om "Universet" mener vi normalt det observerbare Univers. Så hvor mange atomer er der her?

Vi har ikke tid til at tælle samtlige atomer i Universet, så vi bruger et trick: Observationer af Universet fortæller os:

    1. Hvad Universets gennemsnitstæthed er, nemlig ρ = 4.2×10–31 g/cm3 (fraregnet mørkt stof og mørk energi). Det er et meget, meget lille tal, som du også kan skrive "0-komma-30-nuller-efterfulgt-af-42 gram pr. kubikcentimeter."
       
    2. Hvad det består af, nemlig primært hydrogen, en del helium, og en lille smule tungere grundstoffer. Hvis vi lige ser bort fra de tungere grundstoffer (som af astronomer under ét kaldes "metaller"), kan vi se, at ca. ¾ af massen er hydrogen, og ¼ er helium. Da heliumkerner (2 protoner og 2 neutroner) vejer ca. 4 gange så meget som hydrogen (1 proton), vejer et "gennemsnitsatom" (¾ + 4׼) = 1.75 gange et hydrogenatoms masse, som er 1.7×10–24 g. Vi kan skrive, at gennemsnitsmassen er  m̄ = 2.9×10–24 g.
       
    3. Og altså hvor langt vi kan se (R = 46.2 mia. lysår), og dermed også dets volumen V = 4π/3 × R3 = 3.5×1086 cm3.

Én kubikcentimeter gennemsnitsunivers indeholder altså 4.2×10–31 gram atomer, som i gennemsnit vejer 2.9×10–24 g. Det vil sige, at rummet indeholder 

n  =  ρ / m̄  =  1.4×10–7 atomer/cm3

eller ca. 1 atom per. 7 kubikmeter. inde i galakserne er tætheden en del højere, måske typisk 1 atom pr. kubikcentimeter, men det ultratynde rum mellem galakserne udgør langt størstedelen af Universets volumen.

Antallet af atomer i Universet er [tæthed] × [volumen], dvs.

N  =  n × V  =  5.0×1079 atomer

Altså et 5-tal med 79 nuller bagefter. Jeg ved ikke hvad det tal hedder, men det er stort.

(tager vi højde for metallerne, stiger gennemsnitsmassen en smule, så antallet falder lidt, men ikke meget)

Der er knap 1022 atomer i en dråbe vand, 1050 atomer i Jordkloden, 1069 atomer i Mælkevejen, og altså små 1080 atomer i hele det observerbare Univers. Billedkredit: StockCake, NASA/Apollo 17 crew, A. Ghizzi Panizza/ESO, og NASA, ESA, CSA, STScI.

Kommer der flere eller færre atomer i Universet?

Atomer kan fusionere, så flere bliver til færre, og de kan fissionere, så færre bliver til flere. Men hvilke processer dominerer?

Stjerner lyser fordi de er varme, og de er varme fordi de skaber energi ved fusion. Den dominerende proces er, at 4 hydrogenatomer bliver til 1 heliumatom. Dvs. at hver fusion fjerner 3 atomer fra Universets atombudget, men giver til gengæld en lille bitte smule energi, nemlig E =  4.3×10–12 Joule.

Observationer af galakser fortæller os, at stjernerne i gennemsnit lyser med en styrke på ca. 5 millioner Sol-luminositer pr. kubiklysår. Gange vi med Universets volumen får vi, at Universets totalt set lyser med

L  =  8.6×1047 Watt

Det betyder, at der hver sekund sker L / E = 2×1059 fusioner, hvilket får antallet af atomer til at falde med 6×1059 pr. sekund, eller 2×1067 pr. år, eller 2×1076 pr. mia. år.

proton-proton-kæde

Den mest almindelige form for fusion i Universet er den såkaldte "proton-proton-kæde," hvor fire protoner, altså hydrogenkerner, omdannes til en heliumkerne. Sandsynligheden for, at fire protoner mødes på samme tid, er forsvindende lille, så i stedet sker der gennem en lidt kompliceret proces: To protoner støder sammen, og den ene omdannes til en neutron under udsendelse af en positron (lilla), som er elektronens antipartikel, og en neutrino (brunlig). Positronen møder hurtigt en elektron som den annihilerer med og bliver til ren energi (dvs. to fotoner), mens neutrinoen stikker af. Resultatet er en speciel slags "tung" hydrogen (skrives 2H), også kaldet deuterium. Den smelter senere sammen med en anden proton under udsendelse af en foton, og skaber derved en slags "let" heliumkerne (skrives 3He). Denne 3He-kerne møder senere en anden 3He-kerne skabt på samme måde, som den fusionerer med, danner den "almindelige" helium 4He og spytter to overskydende protoner ud, som så kan begynde forfra. Nettoresultatet er altså, at fire protoner og to elektroner er blevet til én heliumkerne, to neutrinoer, og seks fotoner, som kan få en stjerne til at skinne. Illustration: Peter Laursen.

Men hvad så med fission? Fission kan f.eks. ske ved radioaktivt henfald på Jorden og andre planeter, men planeter udgør en meget lille andel af Universets masse. Den største effekt sker under stjerneeksplosioner.

Når stjerner eksploderer i supernovaer og kilonovaer, bygges tunge grundstoffer op gennem indfangning af neutroner. Det er jo altså fusion, men nogle af dem henfalder spontant til lettere grundstoffer, og nogle af dem splittes ad gennem sammenstød. Men dem der fissionerer skal altså først fusioneres, så nettoeffekten er, at der skabes nye, tunge grundstoffer på bekostning af flere, lettere grundstoffer.

Det vil altså sige, at hver eksplosion ikke bidrager med et større antal, tværtimod. Fra det observerede antal af supernovaer og kilonovaer i en typisk galakse, antallet af galakser i Universet, og vores viden om atomprocesser i eksplosionerne, kan vi i øvrigt se, at disse processer kan negligeres ift. fusionen inde i stjernerne, som vi udregnede ovenfor.

Svaret er altså, at der forsvinder flere atomer end der skabes. Eller rettere, svaret er "Ja, du har forstået det rigtigt."

Ud af Universets 5×1079 atomer mister det altså 2×1076 pr. mia. år, primært ved at lave sine hydrogenatomer om til heliumatomer. Hvis Universet fortsatte på den måde, ville det løbe tør om 2500 mia. år. Det gør det dog ikke, da det meste gas for det første findes mellem galakserne og derfor ikke bliver en del af stjerner, og for det andet fordi stjernedannelsesraten langsomt aftager.

Bedste hilsener,
Peter Laursen, Astrofysiker og videnskabsformidler,
Cosmic Dawn Center, Niels Bohr Institutet.

Emner

Se også: