Stelle

Supernove nane nere: le ultime esplosioni nell'Universo

>

Ecco un pensiero felice: l'Universo potrebbe finire in un piagnucolio e un botto. Un sacco di colpi.

Calcoli fatti da un astrofisico indicano che in un lontano futuro, l'Universo avrà sestilioni di oggetti chiamati nane nere , e che alla fine possono esplodere come supernovae . In effetti, possono rappresentare le ultime cose che l'Universo può fare.

cosa è successo a xmen a logan?

Ma questo non accadrà per molto tempo. Un tempo molto, molto, molto lungo*. Così a lungo da ora avrò difficoltà a capire come spiegare quanto tempo sarà. Ci arriverò - il tuo cervello ne sarà schiacciato, te lo prometto - ma prima dobbiamo parlare un po' delle stelle, della fusione nucleare e della materia.



Stelle come il Sole rilasciano energia mentre fondono atomi di idrogeno in atomi di elio nei loro nuclei . È molto simile al modo in cui funziona una bomba all'idrogeno, ma su una scala enormemente più grande; il Sole emette circa l'energia equivalente di cento miliardi di bombe da un megatone. Ogni secondo .

Alla fine l'idrogeno si esaurisce. Possono succedere molte cose complicate a seconda di quanto è massiccia la stella, cosa contiene e altro . Ma per stelle fino a circa 8-10 volte la massa del Sole, tutti gli strati esterni vengono spazzati via, esponendo il nucleo allo spazio; un nucleo che è diventato una palla di materiale così compresso entrano in gioco strane regole della meccanica quantistica. È ancora composto da nuclei atomici (come ossigeno, magnesio, neon e simili) ed elettroni, ma sono sotto incredibile pressioni, con i nuclei praticamente a contatto. Chiamiamo un tale materiale materia degenerata , e l'oggetto stesso è chiamato nana bianca .

La nana bianca più vicina a noi, Sirio B, ha la massa del Sole ma le dimensioni della Terra. Per fare un confronto, il Sole è oltre 100 volte più largo della Terra. Credito: ESA e NASAIngrandire

La nana bianca più vicina a noi, Sirio B, ha la massa del Sole ma le dimensioni della Terra. Per fare un confronto, il Sole è oltre 100 volte più largo della Terra. Credito: ESA e NASA

Per stelle come questa, è praticamente la fine della strada. Il tipo di processo di fusione di cui hanno goduto per miliardi di anni... termonucleare fusione, dove (estremamente semplificato) i nuclei atomici sono così caldi che si scontrano l'uno con l'altro e si fondono - non può più funzionare. La nana bianca nasce molto calda, centinaia di migliaia di gradi Celsius, ma senza una fonte di calore continua inizia a raffreddarsi.

Questo processo richiede miliardi di anni. Le nane bianche che si sono formate nell'Universo primordiale sono appena abbastanza fredde da essere roventi, intorno ai 4.000° C.

Ma l'Universo è giovane, ha solo circa 14 miliardi di anni. Per periodi di tempo molto lunghi, quelle nane bianche si raffredderanno ulteriormente. Alla fine, si raffredderanno fino allo zero assoluto: -273°C. Ci vorranno trilioni di anni, se no quadrilioni . Molto molto più a lungo di quanto l'Universo sia già esistito.

Ma a quel punto gli oggetti della materia degenerata non emetteranno alcuna luce. Saranno scuri, per questo li chiamiamo nane nere .

Quindi è così? Solo nani neri seduti là fuori, congelati, per sempre?

Opera d'arte raffigurante una nana nera in un lontano futuro; una stella morta che un tempo era come il Sole. Questo è un po' fantasioso; quando esisteranno le nane nere, anche tutte le stelle dell'Universo dovrebbero essere morte. Credito: Baperookamo / Wikimedia Commons / CreaIngrandire

Opera d'arte raffigurante una nana nera in un lontano futuro; una stella morta che un tempo era come il Sole. Questo è un po' fantasioso; quando esisteranno le nane nere, anche tutte le stelle dell'Universo dovrebbero essere morte. Credito: Baperookamo / Wikimedia Commons / Creative Commons Attribuzione-Condividi allo stesso modo 4.0 Internazionale

Beh, forse no, ed è qui che le cose iniziano a diventare strane (sì, lo so, sono già strane, ma aspetta solo qualche paragrafo). Attualmente, i fisici pensano che i protoni, una delle particelle subatomiche più elementari, può decadere spontaneamente . In media questo richiede molto tempo. L'evidenza sperimentale ha dimostrato che l'emivita del protone può essere almeno 103. 4anni. Sono un trilione trilioni volte più lungo dell'età attuale dell'Universo.

Se vero, significa che i protoni all'interno dei nuclei atomici nelle nane nere decadranno. Se lo fanno, dopo un po' di tempo, 1035o più anni, le nane nere… evaporeranno. Puff. Andato. A quel punto tutto quello che rimarrà è ancora più denso stelle di neutroni e buchi neri .

Opera d'arte raffigurante il campo magnetico che circonda una stella di neutroni. Credito: Casey Reed / Penn State UniversityIngrandire

Opera d'arte raffigurante il campo magnetico che circonda una stella di neutroni. Credito: Casey Reed / Penn State University

Ma il decadimento del protone, sebbene previsto dall'attuale teoria delle particelle, non è stato ancora osservato. E se i protoni? non farlo decadimento? Cosa succede allora alle nane nere?

È qui che entra in gioco questo nuovo giornale . Si scopre che ci sono altri effetti della meccanica quantistica che diventano importanti, come tunneling . I nuclei atomici sono carichi di protoni, che hanno una carica positiva, quindi i nuclei si respingono. Ma sono molto vicini tra loro nel centro della nana nera. La meccanica quantistica dice che le particelle possono improvvisamente saltare nello spazio a distanze molto piccole (questa è la parte del tunneling, e ovviamente è molto più complicato rispetto alla mia sinossi troppo semplice qui), e se un nucleo salta abbastanza vicino a un altro, kablam! Si fondono, formano un nucleo di elementi più pesanti e rilasciano energia.

Questo è diverso dalla fusione termonucleare, che ha bisogno di molto calore. Questo tipo non ha bisogno di calore, ma ha bisogno di una densità davvero alta, quindi si chiama picnonucleare fusione ( con orgoglio in greco antico significa denso ).

Nel tempo, i nuclei all'interno della nana nera si fondono, molto molto lentamente. Il calore rilasciato è minimo, ma l'effetto complessivo è che diventano ancora più densi. Inoltre, come nelle stelle normali, i nuclei che si fondono creano nuclei più pesanti, fino al ferro.

perché il crepuscolo è così brutto?

Questo é un problema . Gli effetti che tengono la stella contro la sua stessa intensa gravità sono la pressione degenerativa tra gli elettroni. Quando provi a fondere il ferro, divora gli elettroni. Se si fonde abbastanza ferro, gli elettroni scompaiono, il supporto per l'oggetto va con esso e collassa.

Opera d'arte di un'ipernova di collasso del nucleo, una super-supernova. Credito: NASA/Dana Berry/Skyworks DigitalIngrandire

Opera d'arte di un'ipernova di collasso del nucleo, una super-supernova. Credito: NASA/Dana Berry/Skyworks Digital

Questo succede anche con le stelle normali. Devono essere piuttosto massicci, più di 8-10 volte la massa del Sole (quindi il nucleo è almeno 1,5 volte la massa del Sole). Ma per stelle come quelle il nucleo collassa improvvisamente, i nuclei si scontrano e formano una palla di neutroni, ciò che chiamiamo a stella di neutroni . Questo rilascia anche a quantità di energia, creando una supernova.

Succederà anche con le nane nere! Quando si accumula abbastanza ferro, anch'essi collasseranno ed esploderanno, lasciandosi dietro una stella di neutroni.

Ma la fusione picnonucleare è un processo dolorosamente lento. Quanto tempo ci vorrà prima del crollo improvviso e del kablooie?

Sì, ho promesso prima che avrei spiegato questo numero. Per le nane nere di massa più elevata, che collasseranno per prime, il tempo medio necessario è, beh, 101.100anni .

Star Trek il film

Sono 10 alla potenza 1100. Scritto, è un 1 seguito da millecento zeri.

Io... non ho analogie per quanto tempo è. È un numero troppo grande anche solo per avere un significato razionale per i patetici grumi di carne o crani.

Voglio dire, seriamente, qui è scritto:

voglio dire, cIngrandire

Voglio dire, dai. 10^1100esima potenza scritta. Credito: Phil Plait

È un quantità di zeri. Sentiti libero di assicurarmi di avere il numero giusto.

Ho provato a scomporlo in unità più piccole che abbiano un senso, ma dai. Uno dei numeri più grandi che abbiamo nominato è a googol , che è 10100, uno seguito da 100 zeri.

Il numero sopra è un googolundici, un googol all'undicesima potenza.

E quelle sono le nane nere che se ne vanno primo . Quelli di massa più bassa impiegano molto più tempo.

Quanto tempo ancora? Non sono molto contento che tu l'abbia chiesto. Crollano dopo circa 1032.000anni.

Non è un errore di battitura. Sono dieci alla trentaduemila potenza. Un solo con 32.000 zeri dopo di esso .

quando sarà un vicolo cieco?

Va bene allora.

Noterò che questo è per le stelle che iniziano più massicce del Sole. Le stelle come la nostra non sono abbastanza massicce da far funzionare la fusione picnonucleare - non hanno massa sufficiente per spremere il nucleo nella densità necessaria - quindi quando si trasformano in nane nere, è praticamente tutto. Dopo, niente.

Supponendo che i protoni non decadano, lo noterò di nuovo. Probabilmente lo fanno, quindi forse questo è solo giocare con la fisica senza un risultato reale che possiamo vedere (non che saremo in giro comunque). O forse ci sbagliamo sui protoni, e in quel futuro inimmaginabilmente lontano l'Universo sarà composto da stelle di neutroni, buchi neri, nane nere di piccola massa come il Sole, e qualcosa come un sestilione di nane nere che un giorno collasseranno ed esploderanno.

Una simulazione di come sarebbe un buco nero con un disco di gas che vortica intorno, visti i bizzarri effetti della sua feroce gravità sulla luce del disco. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA/Jeremy SchnittmanIngrandire

Una simulazione di come sarebbe un buco nero con un disco di gas che vortica intorno, visti i bizzarri effetti della sua feroce gravità sulla luce del disco. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA/Jeremy Schnittman

Buchi neri, noterò, evapora anche tu , e l'ultimo di questi dovrebbe andare in meno di un anno googol. Se è così, allora le supernove nane nere potrebbero essere gli ultimi eventi energetici che l'Universo può raccogliere. Dopo, niente. Morte di calore. Freddo infinito per un tempo infinito.

Ehi, c'è di peggio. L'Universo si sta espandendo, ma la parte di esso che possiamo vedere, la osservabile L'universo, in realtà, si sta restringendo. Questo ha a che fare con l'energia oscura e l'espansione accelerata dell'Universo, che ho spiegato altrove . Ma quando le nane nere inizieranno ad esplodere, l'Universo che possiamo vedere si sarà ridotto alle dimensioni della nostra galassia. Bene, cosa ne resta allora. Le probabilità sono che le nane nere saranno disperse così lontano per allora che non ce ne sarà nemmeno una nella nostra cornice osservabile.

Questa è una fregatura. Penseresti che aspettare così a lungo avrebbe qualche ricompensa.

Allora perché passare attraverso i movimenti per calcolare tutto questo? In realtà penso che sia una buona idea. Per prima cosa, la scienza non è mai sprecata. È possibile che tutto questo sia giusto.

Inoltre, l'atto di fare il calcolo potrebbe produrre interessanti risultati collaterali, cose che hanno implicazioni per il qui e ora che potrebbero essere osservabili (come il decadimento dei protoni). Potrebbe esserci qualche beneficio tangibile.

Ma davvero, per i miei soldi, questo atto di immaginazione spettacolare è ciò di cui tratta la scienza. Supera i limiti! Supera i confini! Chiedi: 'Cosa c'è dopo? Cosa succede dopo?' Questo espande i nostri confini, respinge i nostri limiti e libera il cervello - entro i limiti della fisica e della matematica conosciute - per perseguire strade altrimenti sconosciute.

Cercare la verità può essere una strada difficile, ma porta alla comprensione, e c'è della bellezza in questo.


* Questo si collega a un articolo scritto dal mio collega di SYFY WIRE Jeff Spry su questo argomento quando è uscito per la prima volta qualche tempo fa. Ne dà una buona sintesi, ma dopo aver letto io stesso il giornale ho voluto fare un'immersione più profonda. E, ad essere onesti, potrei scrivere un articolo tre volte più lungo su questo argomento. C'è molto da fare qui.



^