gov-civil-vilareal.ptSupernovas enanas negras: las últimas explosiones en el Universo
>He aquí un pensamiento feliz: el Universo puede terminar en un quejido y una explosión. Mucho flequillo.
Cálculos realizados por un astrofísico. indican que en un futuro lejano, el Universo tendrá sextillones de objetos llamados enanas negras , y que eventualmente pueden explotar como supernovas . De hecho, pueden representar las últimas cosas que puede hacer el Universo.
Pero esto no sucederá por mucho tiempo. Un tiempo muy, muy, muy largo*. Dentro de tanto tiempo, tengo dificultades para averiguar cómo explicar cuánto tiempo será. Llegaré a eso, tu cerebro será aplastado por eso, lo prometo, pero primero tenemos que hablar un poco sobre las estrellas, la fusión nuclear y la materia.
Estrellas como el sol liberan energía a medida que fusionan átomos de hidrógeno en átomos de helio en sus núcleos . Es muy parecido al funcionamiento de una bomba de hidrógeno, pero a una escala enormemente mayor; el Sol produce aproximadamente la energía equivalente a cien mil millones de bombas de un megatón. Todos segundo .
Finalmente, el hidrógeno se agota. Pueden suceder muchas cosas complicadas dependiendo de qué tan masiva sea la estrella, qué hay en ella y más . Pero en el caso de estrellas de hasta aproximadamente 8 a 10 veces la masa del Sol, todas las capas externas se desvanecen, exponiendo el núcleo al espacio; un núcleo que se ha convertido en una bola de material de modo que entran en juego extrañas reglas de la mecánica cuántica comprimidas. Todavía está formado por núcleos atómicos (como oxígeno, magnesio, neón, etc.) y electrones, pero están bajo increíble presiones, con los núcleos prácticamente tocándose. Llamamos a tal material materia degenerada , y el objeto en sí se llama enana blanca .
La enana blanca más cercana a nosotros, Sirio B, tiene la masa del Sol pero el tamaño de la Tierra. En comparación, el Sol es más de 100 veces más ancho que la Tierra. Crédito: ESA and NASA
Para estrellas como esta, ese es prácticamente el final del camino. El tipo de proceso de fusión que disfrutaron durante miles de millones de años: termonuclear fusión, donde (enormemente simplificado) los núcleos atómicos están tan calientes que chocan entre sí y se fusionan, ya no pueden funcionar. La enana blanca nace muy caliente, a cientos de miles de grados centígrados, pero sin una fuente de calor continua, comienza a enfriarse.
Ese proceso lleva miles de millones de años. Las enanas blancas que se formaron en el Universo temprano ahora son lo suficientemente frías como para estar al rojo vivo, alrededor de 4.000 ° C.
Pero el Universo es joven, solo tiene unos 14 mil millones de años. Durante períodos de tiempo muy largos, esas enanas blancas se enfriarán aún más. Con el tiempo, se enfriarán hasta casi el cero absoluto: -273 ° C. Eso llevará billones de años, si no cuatrillones . Mucho más tiempo de lo que ya existía el Universo.
Pero en ese punto, los objetos de materia degenerada no emitirán luz. Estarán oscuros, por eso los llamamos enanas negras .
¿Así que es eso? ¿Solo enanas negras sentadas ahí afuera, congeladas, para siempre?
Obra de arte que representa a una enana negra en un futuro lejano; una estrella muerta que alguna vez fue como el sol. Esto es algo fantasioso; para cuando existan las enanas negras, todas las estrellas del Universo deberían estar muertas también. Crédito: Baperookamo / Wikimedia Commons / Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International
Bueno, tal vez no, y aquí es donde las cosas comienzan a ponerse raras (sí, lo sé, ya son raras, pero espere unos pocos párrafos). Actualmente, los físicos piensan que los protones, una de las partículas subatómicas más básicas, puede decaer espontáneamente . En promedio, esto lleva mucho tiempo. La evidencia experimental ha demostrado que la vida media del protón puede ser de al menos 1034años. Eso es un billón trillón veces más largo que la edad actual del Universo.
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Si es cierto, eso significa que los protones dentro de los núcleos atómicos en las enanas negras se desintegrarán. Si lo hacen, luego de cierto tiempo, 1035o más años, las enanas negras… se evaporarán. Maricón. Desaparecido. En ese punto, todo lo que quedará será aún más denso. estrellas de neutrones y agujeros negros .
Obra de arte que muestra el campo magnético que rodea a una estrella de neutrones. Crédito: Casey Reed / Universidad Penn State
Pero la desintegración de protones, aunque la predicción por la teoría de partículas actual, aún no se ha observado. ¿Y si los protones no ¿decaer? ¿Qué pasa entonces con las enanas negras?
Ahí es donde entra este nuevo documento . Resulta que hay otros efectos de la mecánica cuántica que se vuelven importantes, como tunelización . Los núcleos atómicos están cargados de protones, que tienen carga positiva, por lo que los núcleos se repelen entre sí. Pero están muy juntos en el centro de la enana negra. La mecánica cuántica dice que las partículas pueden saltar repentinamente en el espacio distancias muy pequeñas (esa es la parte del túnel, y por supuesto es mucho más complicado que mi sinopsis demasiado simple aquí), y si un núcleo salta lo suficientemente cerca de otro, ¡kablam! Se fusionan, forman un núcleo de elemento más pesado y liberan energía.
Esto es diferente a la fusión termonuclear, que necesita mucho calor. Este tipo no necesita calor en absoluto, pero necesita una densidad realmente alta, por lo que se llama piconuclear fusión ( con orgullo en griego antiguo significa denso ).
Con el tiempo, los núcleos del interior de la enana negra se fusionan, muy, muy lentamente. El calor liberado es mínimo, pero el efecto general es que se vuelven aún más densos. Además, como en las estrellas normales, los núcleos que se fusionan crean núcleos más pesados, hasta el hierro.
Eso es un problema . Los efectos que mantienen a la estrella contra su propia gravedad intensa es la presión de degeneración entre los electrones. Cuando intentas fusionar hierro, se come electrones. Si suficiente hierro se fusiona, los electrones desaparecen, el soporte del objeto desaparece y colapsa.
Ilustración de una hipernova de colapso del núcleo, una super-supernova. Crédito: NASA / Dana Berry / Skyworks Digital
Esto también sucede con las estrellas normales. Tienen que ser bastante masivos, más de 8 a 10 veces la masa del Sol (por lo que el núcleo es al menos 1,5 veces la masa del Sol). Pero para estrellas como esas, el núcleo colapsa repentinamente, los núcleos se rompen y forman una bola de neutrones, lo que llamamos una estrella neutrón . Esto también libera un lote de energía, creando una supernova.
¡Esto también sucederá con las enanas negras! Cuando se acumule suficiente hierro, también colapsarán y explotarán, dejando atrás una estrella de neutrones.
Pero la fusión piconuclear es un proceso terriblemente lento. ¿Cuánto tiempo llevará eso antes del colapso repentino y el kablooie?
Sí, prometí antes que explicaría este número. Para las enanas negras de mayor masa, que colapsarán primero, la cantidad promedio de tiempo que lleva es, bueno, 101,100años .
Eso es 10 elevado a 1100. Escrito, es un 1 seguido de mil cien ceros.
Yo ... no tengo ninguna analogía de cuánto tiempo es. Es un número demasiado grande para tener siquiera algún tipo de significado racional para los patéticos pegotes de carne o cráneos.
Quiero decir, en serio, aquí está escrito:
Quiero decir, vamos. 10 ^ 1100a potencia escrita. Crédito: Phil Plait
Eso es un lote de ceros. Siéntase libre de asegurarse de que tengo el número correcto.
Traté de dividirlo en unidades más pequeñas que tengan sentido, pero vamos. Uno de los números más grandes que nombramos es un googol , que es 10100, un uno seguido de 100 ceros.
El número de arriba es un googol11, un googol a la undécima potencia.
Y esas son las enanas negras que se van primero . Los de menor masa tardan mucho más.
¿Cuanto tiempo más? No estoy muy contento de que lo hayas preguntado. Colapsan después de aproximadamente 1032,000años.
Eso no es un error tipográfico. Es diez elevado a treinta y dos milésimo. Una con 32.000 ceros después .
OK entonces.
Notaré que esto es para estrellas que comienzan siendo más masivas que el Sol. Las estrellas como la nuestra no son lo suficientemente masivas para hacer que la fusión picnonuclear funcione, no tienen suficiente masa para comprimir el núcleo en la densidad necesaria para ello, así que cuando se convierten en enanas negras, eso es todo. Después de eso, nada.
Suponiendo que los protones no se desintegran, lo notaré de nuevo. Probablemente lo hagan, así que quizás todo esto sea solo jugar con la física sin un resultado real que podamos ver (no es que estemos cerca de todos modos). O tal vez nos equivocamos acerca de los protones, y en ese futuro inimaginablemente distante, el Universo estará formado por estrellas de neutrones, agujeros negros, enanas negras de baja masa como el Sol y algo así como un sextillón de enanas negras que algún día colapsarán y explotarán.
Una simulación de cómo se vería un agujero negro con un disco de gas girando a su alrededor, dados los extraños efectos de su feroz gravedad sobre la luz del disco. Crédito: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA / Jeremy Schnittman
Agujeros negros, notaré, evaporar también , y el último de ellos debería ir en menos de un googol años. Si es así, entonces las supernovas enanas negras pueden ser los últimos eventos energéticos que el Universo pueda reunir. Después de eso, nada. Muerte por calor. Frío infinito por tiempo infinito.
Oh, oye, se pone peor. El Universo se está expandiendo, pero la parte de él que podemos ver, la observable Universo, en realidad se está encogiendo. Esto tiene que ver con la energía oscura y la expansión acelerada del Universo, que ya he explicado en otra parte. . Pero para cuando las enanas negras comiencen a explotar, el Universo que podemos ver se habrá reducido al tamaño de nuestra propia galaxia. Bueno, lo que queda de él para entonces. Lo más probable es que las enanas negras estén tan dispersas para entonces que ni siquiera habrá una en nuestro marco observable.
Eso es una estafa. Uno pensaría que esperar tanto tiempo tendría alguna recompensa.
Entonces, ¿por qué pasar por los movimientos para calcular todo esto? De hecho, creo que es una buena idea. Por un lado, la ciencia nunca se desperdicia. Es posible que todo esto esté bien.
Además, el acto de hacer el cálculo podría producir resultados secundarios interesantes, cosas que tienen implicaciones para el aquí y ahora que podrían ser observables (como la desintegración de los protones). Podría haber algún beneficio tangible.
Pero realmente, por mi dinero, este acto de imaginación espectacular es de lo que se trata la ciencia. ¡Superar los límites! ¡Supere los límites! Pregunte: '¿Qué sigue? ¿Qué pasa después? Esto expande nuestras fronteras, rechaza nuestras limitaciones y libera al cerebro, dentro de los límites de la física y las matemáticas conocidas, para seguir caminos que de otro modo no se descubrirían.
Buscar la verdad puede ser un camino difícil, pero conduce a la comprensión, y hay belleza en eso.
* Eso enlaza con un artículo escrito por mi colega de SYFY WIRE, Jeff Spry, sobre este tema cuando salió por primera vez hace un tiempo. Da un buen resumen de ello, pero después de leer el periódico yo mismo quería hacer una inmersión más profunda. Y, para ser honesto, podría escribir un artículo tres veces más extenso sobre este tema. Están sucediendo muchas cosas aquí.
