gov-civil-vilareal.ptSupernovy čierneho trpaslíka: Posledné výbuchy vo vesmíre
>Tu je šťastná myšlienka: Vesmír môže skončiť kňučaním a buchot. Veľa ofiny.
Výpočty vykonal astrofyzik naznačujú, že v ďalekej budúcnosti bude mať vesmír sextilióny objektov tzv čiernych trpaslíkov a že nakoniec môžu explodovať ako supernovy . V skutočnosti môžu predstavovať posledné veci, ktoré môže vesmír urobiť.
Ale to sa dlho nestane. Veľmi, veľmi, veľmi dlho*. Už tak dlho mám problém prísť na to, ako vysvetliť, ako dlho to bude trvať. Dostanem sa k tomu - sľubujem, že vám to rozdupe mozog - ale najskôr sa musíme porozprávať o hviezdach, jadrovej fúzii a hmote.
Hviezdy ako Slnko uvoľňujú energiu pretože vo svojich jadrách spájajú atómy vodíka s atómami hélia . Je to veľmi podobné tomu, ako funguje vodíková bomba, ale v oveľa väčšom meradle; Slnko vydáva energiu zodpovedajúcu približne sto miliardám megatonových bômb. Každý druhý .
Nakoniec dôjde vodík. Potom sa môže stať veľa komplikovaných vecí v závislosti od toho, aká je hviezda hmotná, čo v nej je a ďalšie . Ale pre hviezdy až asi 8 - 10 -násobok hmotnosti Slnka všetky vonkajšie vrstvy odfúknu a vystavia jadro vesmíru; jadro, ktoré sa stalo guľou materiálu, takže do hry vstupujú skomprimované podivné pravidlá kvantovej mechaniky. Stále sa skladá z atómových jadier (ako kyslík, horčík, neón a podobne) a elektrónov, ale sú pod neuveriteľné tlaky, pričom jadrá sa prakticky dotýkajú. Tomuto materiálu hovoríme degenerovaná hmota a samotný predmet sa nazýva biely trpaslík .
Nám najbližší biely trpaslík, Sirius B, má hmotnosť Slnka, ale veľkosť Zeme. Na porovnanie, Slnko je viac ako 100 krát širšie ako Zem. Kredit: ESA a NASA
Pre takéto hviezdy je to takmer koniec cesty. Typ fúzneho procesu, ktorý si užívali miliardy rokov - termonukleárny fúzia, kde (veľmi zjednodušene) sú atómové jadrá tak horúce, že do seba narazia a splynú - už nemôžu fungovať. Biely trpaslík sa narodí veľmi horúci, státisíce stupňov Celzia, ale bez stáleho zdroja tepla sa začína ochladzovať.
Tento proces trvá miliardy rokov. Bieli trpaslíci, ktorí sa vytvorili v ranom vesmíre, sú práve teraz dostatočne chladní na to, aby boli horúci, okolo 4 000 ° C.
Vesmír je však mladý, má len asi 14 miliárd rokov. Po veľmi dlhé časové obdobia sa títo bieli trpaslíci budú ďalej ochladzovať. Nakoniec sa ochladia až na absolútnu nulu: -273 ° C. Ak nie, bude to trvať bilióny rokov kvadriliony . Oveľa dlhšie, ako už vesmír existuje.
V tom mieste však objekty degenerovanej hmoty nevyžarujú žiadne svetlo. Budú tmavé, a preto ich voláme čiernych trpaslíkov .
Je to tak? Len čierni trpaslíci, ktorí tam sedia, zmrazení, navždy?
Umelecké dielo zobrazujúce čierneho trpaslíka v ďalekej budúcnosti; mŕtva hviezda, ktorá bola kedysi ako Slnko. To je trochu fantastické; kým nebudú existovať čierni trpaslíci, všetky hviezdy vo vesmíre by mali byť tiež mŕtve. Kredit: Baperookamo / Wikimedia Commons / Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International
No možno nie, a práve tu začínajú byť veci divné (áno, viem, už sú divné, ale stačí počkať pár odsekov). V súčasnosti si fyzici myslia, že protóny, jedna z najzákladnejších subatomárnych častíc, môže spontánne chátrať . V priemere to trvá veľmi dlho. Experimentálne dôkazy ukázali, že polčas rozpadu protónu môže byť najmenej 103. 4rokov. To je bilión bilión krát dlhšie ako súčasný vek vesmíru.
Ak je to pravda, znamená to, že protóny vo vnútri atómových jadier v čiernych trpaslíkoch sa rozpadnú. Ak áno, potom po určitom čase, 1035alebo viac rokov, čierni trpaslíci ... sa vyparia. Puf. Preč. V tom momente bude všetko, čo zostane, ešte hustejšie neutrónové hviezdy a čierne diery .
Umelecké dielo zobrazujúce magnetické pole obklopujúce neutrónovú hviezdu. Kredit: Štátna univerzita Caseyho Reeda / Penna
Rozklad protónov, ako ho predpovedá súčasná teória častíc, však ešte nebol pozorovaný. Čo keď protóny? nie rozpad? Čo sa potom stane s čiernymi trpaslíkmi?
Tu prichádza na rad tento nový dokument . Ukazuje sa, že existujú aj ďalšie efekty kvantovej mechaniky, ktoré sú dôležité tunelovanie . Atómové jadrá sú nabité protónmi, ktoré majú kladný náboj, takže sa jadrá navzájom odpudzujú. Ale sú veľmi blízko seba v strede čierneho trpaslíka. Kvantová mechanika hovorí, že častice môžu zrazu skočiť do vesmíru na veľmi malé vzdialenosti (to je časť tunelovania, samozrejme je to oveľa komplikovanejšie než tu moja príliš jednoduchá synopsa), a ak jedno jadro skočí dostatočne blízko k druhému, kablam! Spájajú sa, vytvárajú ťažšie jadro prvku a uvoľňujú energiu.
Je to iné ako termonukleárna fúzia, ktorá potrebuje veľa tepla. Tento druh nepotrebuje teplo, ale potrebuje skutočne vysokú hustotu, preto sa tomu hovorí pycnonukleárny fúzia ( hrdo v starovekých gréckych prostriedkoch hustý ).
V priebehu času sa jadrá vo vnútri čierneho trpaslíka spájajú, veľmi veľmi pomaly. Uvoľnené teplo je minimálne, ale celkový efekt je, že sú ešte hustejšie. Rovnako ako u normálnych hviezd, jadrá, ktoré spájajú, vytvárajú ťažšie jadrá až do železa.
To je problém . Účinky, ktoré držia hviezdu proti vlastnej intenzívnej gravitácii, sú degeneratívne tlaky medzi elektrónmi. Keď sa pokúsite taviť železo, spotrebuje to elektróny. Ak odíde dostatok poistiek železa, elektróny zmiznú, opora predmetu pôjde s ním a zrúti sa.
Umelecké dielo jadrového kolapsu hypernova, super-supernova. Kredit: NASA/Dana Berry/Skyworks Digital
To sa stáva aj s normálnymi hviezdami. Musia byť dosť masívne, viac ako 8–10 -násobok hmotnosti Slnka (jadro je teda najmenej 1,5 -násobok hmotnosti Slnka). Ale pre také hviezdy sa jadro náhle zrúti, jadrá sa rozbijú a vytvoria guľu neutrónov, čomu hovoríme neutrónová hviezda . Toto tiež uvoľňuje a veľa energie, čím sa vytvorí supernova.
To sa stane aj s čiernymi trpaslíkmi! Keď sa nahromadí dostatok železa, tiež sa zrútia a vybuchnú a zanechajú za sebou neutrónovú hviezdu.
Pyknonukleárna fúzia je však agonizujúco pomalý proces. Ako dlho to bude trvať, než sa náhly kolaps a kablooie?
Áno, predtým som sľúbil, že vysvetlím toto číslo. V prípade čiernych trpaslíkov s najvyššou hmotnosťou, ktorí sa najskôr zrútia, je priemerný čas, ktorý trvá, 101 100rokov .
To je 10 až 1100. výkon. Napísané je to 1, za ktorou nasleduje jedenásť stoviek núl.
Ja ... Nemám žiadne analógie, ako dlho to je. Je to príliš veľké číslo na to, aby to malo akýkoľvek racionálny význam pre žalostné guľôčky mäsa alebo lebiek.
Myslím to vážne, tu je napísané:
Myslím, no tak. 10^1100. mocnina zapísaná. Kredit: Phil Plait
To je a veľa núl. Neváhajte sa uistiť, či som správne zadal číslo.
Skúsil som to rozdeliť na menšie jednotky, ktoré majú zmysel, ale poďme. Jedno z najväčších čísel, ktoré sme pomenovali, je a googol , čo je 10100, za ktorou nasleduje 100 núl.
0220 číslo anjela
Vyššie uvedené číslo je googoljedenásť, googol do 11. veľmoci.
A to sú tí čierni trpaslíci najprv . Tie s najnižšou hmotnosťou trvajú oveľa dlhšie.
O koľko dlhšie? Nie som veľmi rád, že ste sa pýtali. Zhromažďujú sa asi po 1032 000rokov.
Nie je to preklep. Je to desať až tridsaťdvatisícová sila. Jeden s 32 000 nulami po ňom .
Dobre teda.
Všimnem si, že toto je pre hviezdy, ktoré začínajú hmotnejšie ako Slnko. Hviezdy, ako sú naše, nie sú dostatočne masívne na to, aby spustili pyknonukleárnu fúziu - nemajú dostatok hmoty na stlačenie jadra na potrebnú hustotu - takže keď sa zmenia na čiernych trpaslíkov, je to skoro všetko. Potom už nič.
Za predpokladu, že sa protóny nerozpadajú, opäť poznamenám. Pravdepodobne áno, takže možno je to všetko len hra s fyzikou bez skutočného výsledku, ktorý vidíme (nie že by sme k tomu aj tak prišli). Alebo sa možno mýlime v protónoch a v tej nepredstaviteľne vzdialenej budúcnosti bude vesmír pozostávať z neutrónových hviezd, čiernych dier, čiernych trpaslíkov s nízkou hmotnosťou ako je Slnko a niečo ako šesťdesiat čiernych trpaslíkov, ktorí sa jedného dňa zrútia a explodujú.
Simulácia toho, ako by vyzerala čierna diera s kotúčom plynu, ktorý by sa okolo nej otáčal, vzhľadom na bizarné efekty jej prudkej gravitácie na svetlo z disku. Kredit: Goddardovo vesmírne letové stredisko NASA/Jeremy Schnittman
Čierne diery, poznamenám tiež odpariť , a posledný z nich by mal ísť za menej ako googol rokov. Ak je to tak, potom supernovy čiernych trpaslíkov môžu byť poslednými energetickými udalosťami, ktoré môže vesmír zhromaždiť. Potom už nič. Tepelná smrť. Nekonečný chlad na nekonečný čas.
Hej, je to ešte horšie. Vesmír sa rozširuje, ale jeho časť, ktorú vidíme, je pozorovateľné Vesmír sa v skutočnosti zmenšuje. Súvisí to s temnou energiou a zrýchlenou expanziou vesmíru, ktorú som vysvetlil na inom mieste . Ale kým začnú čierni trpaslíci explodovať, vesmír, ktorý vidíme, sa zmenší na veľkosť našej vlastnej galaxie. No a čo z toho dovtedy zostane. Je pravdepodobné, že dovtedy budú čierni trpaslíci rozptýlení tak, že v našom pozorovateľnom rámci ani nebudeme.
To je podvod. Mysleli by ste si, že tak dlhé čakanie sa vám určite vráti.
Prečo teda prechádzať pohybmi a počítať to všetko? Vlastne si myslím, že je to dobrý nápad. Jednak nie je veda zbytočná. Je možné, že je to všetko v poriadku.
Vykonanie výpočtu by tiež mohlo priniesť zaujímavé vedľajšie výsledky, veci, ktoré majú dôsledky pre tu a teraz, ktoré môžu byť pozorovateľné (ako rozpad protónov). Mohlo by to mať nejaký hmatateľný prínos.
Ale naozaj, za moje peniaze, o tento akt veľkolepej predstavivosti ide. Posuňte hranice! Prekročte hranice! Opýtajte sa: „Čo ďalej? Čo sa stane potom? ' To rozširuje naše hranice, tlačí späť na naše obmedzenia a uvoľňuje mozog - v medziach známej fyziky a matematiky - aby hľadal cesty inak neobjavené.
Hľadanie pravdy môže byť náročná cesta, ale vedie k porozumeniu a je v tom krása.
* Toto je odkaz na článok, ktorý o tejto téme napísal môj kolega z SYFY WIRE Jeff Spry, keď pred časom vyšiel. Dáva to dobré zhrnutie, ale potom, čo som si sám prečítal noviny, chcel som sa ponoriť hlbšie. A aby som bol úprimný, na túto tému by som mohol napísať trikrát taký dlhý článok. Deje sa tu veľa.
