Από πού στο Σύμπαν προέρχεται το… υδρογόνο;

Το υδρογόνο είναι το πρώτο στοιχείο του περιοδικού πίνακα, και μας είναι γνώριμο κυρίως από χημικές ενώσεις του με άλλα στοιχεία – με το οξυγόνο (συνήθως ως νερό, H₂O), με το άζωτο (συνήθως ως αμμωνία, NH₃), και με τον άνθρακα, σε σχεδόν όλες τις οργανικές ενώσεις. Από μόνο του είναι καύσιμο για πυραυλοκινητήρες και κυψέλες καυσίμου και μπορεί να φουσκώσει εξαιρετικά εύφλεκτα μπαλόνια. Αλλά το ατομικό υδρογόνο, όταν ιονιστεί και χάσει το μοναδικό του ηλεκτρόνιο, είναι κάτι πολύ θεμελιακό – ένα απλό πρωτόνιο. Έτσι, το να αναρωτιόμαστε από που προήλθε το υδρογόνο του Σύμπαντος είναι ισοδύναμο με το να αναρωτιόμαστε από που προήλθαν τα πρωτόνια. 

Σύμφωνα με τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, στις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος όλες οι δυνάμεις ήταν συνενωμένες σε μία, οι διαστάσεις του Σύμπαντος ήταν μικροσκοπικές, η θερμοκρασία του ασύλληπτα υψηλή, και δεν μπορούσαν να υπάρξουν σωματίδια ως ξεχωριστές δομές. Μετά ήρθε η εποχή του πληθωρισμού, όπου σε ελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου το Σύμπαν μεγάλωσε εκθετικά, ώσπου δομές ύλης και αντιύλης σχηματίστηκαν υπό τη μορφή πλάσματος quark-gluon. Στο ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου από την απαρχή του Σύμπαντος, η θερμοκρασία είχε πέσει αρκετά ώστε τα quark μπόρεσαν να συνενωθούν σε πρωτόνια, νετρόνια, αντιπρωτόνια και αντινετρόνια. Κάποια ανισορροπία στο αρχικό ποσό ύλης και αντιύλης δημιούργησε ένα πλεόνασμα ύλης, η οποία και επικράτησε. Εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια αργότερα, τα ηλεκτρόνια μπόρεσαν να συνενωθούν με κάποια από τα πρωτόνια ή ελαφρώς μεγαλύτερους πυρήνες (δευτέριο, ήλιο, λίθιο) και να σχηματίσουν άτομα. 

Οπότε όλο το υδρογόνο του Σύμπαντος έχει τις απαρχές του στη Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά κάποιο από αυτό πέρασε στο μεταξύ και από μερικά άλλα στάδια. Για παράδειγμα, στο εσωτερικό των αστέρων το υδρογόνο συντήκεται σε ήλιο, και στη συνέχεια σε μεγαλύτερους πυρήνες. Κάποιοι από αυτούς είναι ραδιενεργοί και εκπέμπουν ηλεκτρόνια κατά τη λεγόμενη διάσπαση βήτα. Όποτε γίνεται αυτό, ένα πρωτόνιο του πυρήνα τους μετατρέπεται σε νετρόνιο. Άλλες πυρηνικές διαδικασίες (όπως η σχάση) έχουν ως αποτέλεσμα την εκτίναξη νετρονίων από τους πυρήνες. Αλλά τα νετρόνια στο κενό είναι ασταθή, και μετατρέπονται σε πρωτόνια ύστερα από μερικά λεπτά. Έτσι, ένα πρωτόνιο, που μπορεί να καταλήξει να σχηματίσει άτομο υδρογόνου, μπορεί να έχει προέλθει από βαρύτερους πυρήνες ύστερα από πολλαπλές αλληλουχίες πυρηνικών αντιδράσεων. Αλλά, το πιο πιθανό είναι να έχει μείνει απαράλλακτο από τα πρώτα δευτερόλεπτα του Σύμπαντος!