• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan #86: A última luz do universo

Crédito da imagem: NASA, ESA e G. Bacon (STScI).

Estrelas falidas, ou cadáveres estelares, podem dar luz ao Universo mais uma vez?

Uma única luz minúscula cria um espaço onde a escuridão não pode existir. A luz vence a escuridão. Por mais que tente, a escuridão não pode conquistar a luz. – Donald L. Hicks

Embora pareça inevitável que a escuridão vença no final, quando o fóton final de luz sair da vista, ele virá muito, muito mais tarde do que quase todo mundo espera. Entre o perguntas e sugestões que você enviou foi esta joia de Andrew Dodds, que pergunta o seguinte:

Eu notei este sistema [particular] – Luhman 16 — que é um par de anãs marrons. Eu tenho que me perguntar - seria possível para esses sistemas espiralarem um no outro por muito, muito tempo e formar uma anã vermelha real? E se assim for, isso significa que ainda teremos estrelas em torno de muitos, muitos trilhões de anos?

É fácil olhar para o Universo hoje, particularmente com o melhor equipamento disponível, e concluir que há um suprimento quase ilimitado de coisas para vermos. E quanto mais olhamos, mais mais Nós vemos!

Crédito da imagem: NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee e P. Oesch (Universidade da Califórnia, Santa Cruz), R. Bouwens (Universidade de Leiden) e a Equipe HUDF09; costura com o UDF original por mim.

Não importa para onde olhemos no céu:

• o centro da Via Láctea,
• os corações de nebulosas ou aglomerados de estrelas,
• para as galáxias que estão além da nossa,
• ou mesmo em um remendo em branco que parece estar completamente vazio,

parecemos estar cercados pela expansão luminosa de objetos no espaço profundo. Cada um deles, é claro, tem sua luz originada de uma única estrela ou de uma coleção de muitas.

Crédito da imagem:Jean-Charles Cuillandre( CFHT ) &Giovanni Anselmi( Astronomia do Céu ), luz das estrelas havaianas .

Mas apesar de todas as estrelas em nossa galáxia (cerca de 400 bilhões delas), todas as galáxias dentro do Universo observável (170 bilhões no mínimo, e provavelmente muito mais), e o fato de que o Universo está se expandindo, a quantidade de luz estelar disponível para nossos olhos está ficando menos , não maior .

Há duas razões para isso, uma que afeta as fontes de luz mais distantes e outra que afeta as mais próximas. Aqui está o que eles são.

Crédito da imagem: Science Photo Library / Take 27 Ltd, via http://fineartamerica.com/ .

1.) O Universo é dominado pela energia escura . Graças a três linhas de medição independentes - o fundo cósmico de micro-ondas, supernovas distantes do tipo Ia e oscilações acústicas bariônicas - determinamos esse assunto não é a forma dominante de energia em nosso Universo. Pelo menos, não mais. Em vez disso, a matéria normal que nos compõe e a matéria escura que é cerca de cinco vezes mais abundante compõem apenas cerca de um terceiro da energia total presente, sendo os outros dois terços uma nova forma de energia que parece ser inerente ao próprio espaço: energia escura .

Crédito da imagem: The Cosmic Perspective / Jeffrey O. Bennett, Megan O. Donahue, Nicholas Schneider e Mark Voit.

Quando a energia escura passou a dominar a expansão do Universo cerca de 6 bilhões de anos atrás, as galáxias distantes que estavam se afastando de nós começaram a se afastar de nós mais rapidamente do que antes. Com o passar do tempo, essas galáxias se afastam cada vez mais da nossa, e a luz que emitem hoje torna-se incapaz de nos alcançar no futuro, graças ao que está se tornando uma expansão exponencialmente rápida do espaço.

Como está agora, cerca de 100 a 150 bilhões de anos no futuro , as galáxias do nosso grupo local – Andrômeda, a Via Láctea, a galáxia Triangulum, as Nuvens de Magalhães e cerca de 40 a 50 outras galáxias anãs – todas terão sido fundidas com sucesso em uma galáxia elíptica gigante, e por um longo Tempo. Graças à energia escura, todos os outros além terão acelerado a distâncias tão grandes que serão invisíveis aos nossos olhos. Mas ainda teremos todas as estrelas em nossa nova e gigantesca casa elíptica: Milkdromeda.

Por um tempo, pelo menos. Porque…

Crédito da imagem: NASA, ESA, Z. Levay e R. van der Marel (STScI), e A. Mellinger.

2.) O Universo está ficando sem combustível para as estrelas . A taxa de formação de estrelas no Universo é mais baixa do que nunca: em apenas 3% do que era em seu pico há muitos bilhões de anos. Enquanto Nós vamos obter uma grande explosão quando a Via Láctea se fundir com Andrômeda, a taxa de formação de estrelas cairá vertiginosamente depois disso.

Crédito da imagem: Galeria de Kunihiko Okano; http://www.asahi-net.or.jp/~RT6K-OKN/ .

As estrelas mais massivas se tornarão supernovas, enquanto as estrelas menos massivas, como o Sol, explodirão suas camadas externas em uma nebulosa planetária, enquanto suas partes internas se contraem para formar anãs brancas. Agora, essas supernovas e nebulosas planetárias cospem bastante não queimado combustível (ou mal queimado) com o passar do tempo – hidrogênio e hélio – para que novas estrelas possam continuar a se formar por trilhões e trilhões de anos. No entanto, a taxa de formação de estrelas deve continuar a cair para que, daqui a dezenas de trilhões de anos, a formação de uma única estrela a partir de nuvens de gás seja um evento tremendamente raro.

Crédito da imagem: Levantamento do céu de dois mícrons (2MASS), de RCW 108.

Há também outra coisa a considerar: as estrelas de menor massa são as mais longevo estrelas. A linha entre o que separa uma estrela verdadeira de uma estrela falhada (ou uma anã marrom) é se ela pode fundir hidrogênio em hélio em seu núcleo, algo que requer uma temperatura mínima de cerca de quatro milhões de graus (Celsius ou Kelvin). Isso requer uma massa de algo em torno de 7,5 a 8% da massa do nosso Sol e representa a linha entre uma anã marrom e uma anã vermelha. E a anã vermelha de menor massa queimará seu combustível por cerca de 20 trilhões de anos , tornando-o mais duradouro do que qualquer outra estrela.

Além disso, as anãs vermelhas têm o destino mais simples: em vez de morrer em uma supernova catastrófica ou explodir suas camadas externas em uma nebulosa planetária, as anãs vermelhas podem converter 100% de seu hidrogênio em hélio, contraindo-se para formar uma anã branca de hélio.

Crédito da imagem: E. Siegel.

Se você nos perguntasse há dez anos sobre qual era o tipo de estrela mais numeroso do Universo, teríamos dito estrelas da classe M, ou anãs vermelhas, com cerca de três em cada quatro estrelas pertencentes a essa classe. Dado isso – além de todas as estrelas semelhantes ao Sol que se tornarão gigantes vermelhas, explodindo suas camadas externas e se tornando anãs brancas de carbono-oxigênio – você pode pensar que depois de talvez cerca de 100 trilhões (10^14) anos, tudo o que teremos ficar com essas anãs brancas sujando o céu.

Isso não está tão longe, na verdade! E considerando que essas anãs brancas permanecem brancas por talvez um a dez quatrilhões (10^15 ou 10^16) anos até que esfriem o suficiente (através do Mecanismo Kelvin-Helmholtz ) que eles não emitem mais luz detectável, você pode pensar que é por quanto tempo teremos algo para olhar.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech/UCLA; a espaçonave WISE.

Mas sabemos outra coisa agora, graças a pesquisas infravermelhas como o WISE. Veja, além de todas as estrelas que conhecemos - e as estrelas que vai ser — também há quase estrelas por aí em grande abundância. Se olharmos para os sistemas estelares mais próximos da Terra , há duas adições muito recentes: ambas são sistemas de anãs marrons! E assim como duas estrelas vermelhas de baixa massa podem se fundir para formar uma estrela mais azul e de maior massa, duas anãs marrons que estão abaixo do limite de massa de queima de hidrogênio posso , na verdade, se fundem para se tornar uma verdadeira estrela!

Crédito da imagem: NASA/JPL/Gemini Observatory/AURA/NSF. Estas são as duas anãs marrons que compõem Luhman 16.

A grande questão, então, é quando eles vão fusão, e quais são os outros processos concorrentes que podem mudar seu destino? Da radiação gravitacional que conduz o decaimento orbital, levará cerca de 10^60 a 10^150 anos para os dois objetos em Luhman 16 espiralarem um no outro e se fundirem. Ambos os objetos são estimados em uma massa de cerca de 4% da massa do Sol, então eles devemos formam uma verdadeira estrela se-e-quando eles se fundem!

Mas há duas outras coisas acontecendo que tornam isso especial destino para este sistema particular improvável.

Crédito da imagem: J. Walsh e Z. Levay, ESA/NASA.

1.) Relaxamento violento . Se essas duas estrelas estivessem em perfeito isolamento, tudo o que fariam seria eventualmente espiralar uma na outra. Mas eles passarão a maior parte do tempo existindo em uma enorme galáxia semelhante a um enxame com um trilhão (ou mais) de estrelas e cadáveres estelares. Com alguma frequência, uma estrela passará muito perto de uma (ou ambas) dessas anãs marrons, e cada vez que o fizerem, elas terão a chance de se tornar mais fortemente ligadas gravitacionalmente à galáxia e expulsar esses objetos!

Claro, é muito improvável, mas com tempo suficiente, até mesmo eventos improváveis ​​vão acontecer. A escala de tempo média para algo assim? Uns 10^18 anos, mais ou menos. Mas mesmo assim maioria objetos serão submetidos a essa ejeção, os que ficarem mais presos terão uma chance de um destino diferente…

Crédito da imagem: Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.

2.) Objetos podem colidir, produzindo resultados espetaculares ! Dependendo do que colide, várias coisas podem acontecer:

• Se duas estrelas de nêutrons colidem, elas produzem um buraco negro e uma explosão de raios gama.
• Se duas anãs brancas pesadas (carbono-oxigênio) colidirem, elas produzirão uma supernova do tipo Ia.
• Se duas anãs brancas leves (hélio) colidirem, elas acenderão a fusão de hélio, produzindo uma estrela gigante vermelha.
• E se duas anãs marrons colidirem, elas produzirão uma anã marrom mais massiva (chata) ou uma nova estrela anã vermelha classe M.

Agora, qual é o prazo para isso? Em média, cerca de 10^21 anos. Portanto, a menos que você tenha duas anãs marrons que estão orbitando extremamente próximas uma da outra (no interior da órbita de Mercúrio ao Sol, por escala), é muito improvável que você se inspire, mesmo em um futuro distante.

Crédito da imagem: Janella Williams, Penn State University, via http://science.psu.edu/news-and-events/2013-news/Luhman3-2013 .

Mas você está provável - contanto que você não seja ejetado - colidir com outra coisa. Dado o fato de que teremos anãs brancas de hélio colidindo e se fundindo, e também um grande número (que estamos apenas começando a quantificar) de anãs marrons colidindo e se fundindo em escalas de tempo de 10^21 anos, é razoável supor que mesmo depois que as últimas estrelas se esgotarem, teremos uma nova estrela ocasional e rara em um futuro distante.

Com um muito de sorte, pode até haver alguns planetas, naves espaciais ou outro material orgânico apenas esperando por mais uma fonte de energia e mais uma chance de vida. Nossa última chance de reviver o que existia antes, mesmo que por pouco tempo, pode literalmente vir quando o Universo for um trilhão de vezes mais velho do que agora, e quando esse encontro casual der origem ao que – na época – é a única estrela queimando em nosso Universo observável.

Crédito da imagem: usuário do fórum Toma do jogo Space Engine, editado por mim, via http://www.neogaf.com/forum/showthread.php?t=517647&page=6 .

Então, obrigado por uma pergunta fantástica e pela chance de aprender muito mais sobre nosso futuro distante, Andrew; Espero que tenha gostado. Se você quiser ter a chance de aparecer no próximo Ask Ethan, envie seu dúvidas e sugestões aqui , e talvez a coluna da próxima semana seja sua!

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