Pergunte ao Ethan nº 98: Quando as estrelas ficarão escuras?
Crédito da imagem: NASA, via http://www.nasa.gov/topics/earth/features/2012-alignment.html.
Mesmo as estrelas mortas ainda brilham hoje, e vão brilhar por muito tempo. Mas eles também vão escurecer.
À medida que a escuridão da noite recua, o mesmo acontece com o nadir de ontem. A criança que sou esquece tão rápido. – Sylvia Ashton-Warner
A cada semana, você envia seu perguntas e sugestões para Ask Ethan , e estabelecemos um novo recorde com mais de 100 ideias de colunas novidade para esta semana. Havia muitos ótimos candidatos, mas o que acabei escolhendo foi um dos mais curtos e doces, mas um dos mais profundos, cortesia de um apresentador que simplesmente atende por Steve:
Quanto tempo levaria para as estrelas esfriarem depois de esgotarem seu combustível nuclear? Haverá anãs 'negras'? Há algum hoje?
Vamos começar falando sobre a vida das estrelas e levá-lo até o fim para explorar isso completamente.
Crédito da imagem: TI, via https://www.eso.org/public/images/eso1233a/ .
Quando uma nuvem de gás molecular colapsa sob sua própria gravidade, sempre há algumas regiões que começam um pouco mais densas do que outras. Todo local com matéria faz o possível para atrair cada vez mais matéria, mas essas regiões superdensas atraem matéria. mais eficientemente do que todos os outros.
Como o colapso gravitacional é um processo descontrolado, quanto mais matéria você atrai para a sua vizinhança, mais rápido a matéria adicional acelera para se juntar a você. Embora possa levar milhões a dezenas de milhões de anos para uma nuvem molecular passar de um estado grande e difuso para um estado relativamente colapsado, o processo de passar de um estado colapsado de gás denso para um novo aglomerado de estrelas – onde o mais denso regiões inflamam a fusão em seus núcleos - leva apenas algumas centenas de milhares de anos.
Crédito da imagem: NASA, ESA e Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, via http://www.spacetelescope.org/images/heic0715a/ .
Quando você cria um novo aglomerado de estrelas, as mais fáceis de perceber são os mais brilhantes, que também são os mais massivos. Estas são as estrelas mais brilhantes, azuis e quentes que existem, com até centenas de vezes a massa do nosso Sol e com milhões vezes a luminosidade. Mas apesar do fato de que estas são as estrelas que parecem mais espetaculares, essas são também as estrelas mais raras, perfazendo muito menos de 1% de todas as estrelas conhecidas, e também as estrelas de vida mais curta estrelas, à medida que queimam todo o combustível nuclear (em todos os vários estágios) em seus núcleos em menos de 1 a 2 milhões de anos.
Crédito da imagem: NASA, ESA e E. New (ESA / STScI);
Agradecimento: R. O'Connell (Universidade da Virgínia) e o Comitê de Supervisão Científica da Wide Field Camera 3.
Quando essas estrelas mais brilhantes ficam sem combustível, elas morrem em uma espetacular explosão de supernova tipo II. À medida que isso ocorre, o núcleo interno implode, colapsando até uma estrela de nêutrons (para os núcleos de baixa massa) ou até mesmo para um buraco negro (para os núcleos de alta massa), enquanto expulsa as camadas externas de volta para o espaço interestelar. médio. Lá, esses gases enriquecedores contribuirão para as futuras gerações de estrelas, fornecendo-lhes os elementos pesados necessários para criar planetas rochosos, moléculas orgânicas e, em casos raros e maravilhosos, vida.
Crédito da imagem: NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (ASU).
Buracos negros... bem, por definição, ficam pretos imediatamente. Além dos discos de acreção que os cercam e da extraordinária radiação Hawking de baixa temperatura que emana de seus horizontes de eventos, os buracos negros ficam pretos praticamente instantaneamente após o colapso do núcleo.
Mas as estrelas de nêutrons são uma história diferente.
Crédito da imagem: NASA.
Veja, uma estrela de nêutrons pega toda a energia do núcleo de uma estrela e colapsa incrivelmente rápido. Quando você pega qualquer coisa e a comprime rapidamente, faz com que a temperatura dentro dela suba: é assim que um pistão funciona em um motor a diesel. Bem, o colapso de um núcleo estelar até uma estrela de nêutrons é talvez o melhor exemplo de compressão rápida. No intervalo de segundos a minutos, um núcleo de ferro, níquel, cobalto, silício e enxofre com muitas centenas de milhares de milhas (quilômetros) de diâmetro desmoronou para uma bola de apenas cerca de 10 milhas (16 km) em tamanho ou menor. Sua densidade aumentou em cerca de um fator de um quatrilhão (10^15), e sua temperatura cresceu tremendamente: para cerca de 10^12 K no núcleo e até cerca de 10^6 K na superfície.
E aqui reside o problema.
Crédito da imagem: ESO/L. Calçada, via http://www.eso.org/public/images/eso1415a/ .
Você tem toda essa energia armazenada dentro de uma estrela colapsada como esta, e sua superfície é tão tremendamente quente que não apenas brilha em branco azulado na porção visível do espectro, mas a maior parte da energia não é visível ou mesmo ultravioleta: é Energia de raios X! Há uma quantidade insanamente grande de energia armazenada dentro deste objeto, mas a única maneira de liberá-la no Universo é através de sua superfície, e sua área de superfície é muito pequena .
A grande questão, claro, é quanto tempo vai demorar uma estrela de nêutrons para esfriar? A resposta depende de uma parte da física que praticamente não é bem compreendida para estrelas de nêutrons: resfriamento de neutrinos! Você vê, enquanto os fótons (radiação) são profundamente presos pela matéria bariônica normal, os neutrinos, quando gerados, podem passar por toda a estrela de nêutrons sem impedimentos. No extremo rápido, as estrelas de nêutrons podem esfriar, fora da porção visível do espectro, depois de apenas 10^16 anos, ou apenas um milhão de vezes a idade do Universo. Mas se as coisas forem mais lentas, pode levar de 10^20 a 10^22 anos, o que significa que você estará esperando por algum tempo.
Mas há outras estrelas que escurecem mais rápido.
Crédito da imagem: NASA / ESTA e a equipe do Hubble Heritage ( TERÁ / STScI ), através da https://www.spacetelescope.org/images/opo9935e/ .
Veja bem, a grande maioria das estrelas - os outros 99% e mudam - não se transformam em supernovas, mas, no final de suas vidas, se contraem (lentamente) em uma estrela anã branca. A escala de tempo lenta é apenas lenta em comparação com uma supernova: leva dezenas a centenas de milhares de anos em vez de meros segundos a minutos, mas ainda é rápido o suficiente para prender quase todo o calor do núcleo da estrela. A grande diferença é que, em vez de prendê-lo dentro de uma esfera com um diâmetro de apenas 16 quilômetros, o calor fica preso em um objeto apenas do tamanho da Terra, ou cerca de mil vezes maior que uma estrela de nêutrons.
Isso significa que, embora as temperaturas dessas anãs brancas possam ser muito altas – mais de 20.000 K, ou mais de três vezes mais quentes que o nosso Sol – elas esfriam muito mais rápido que as estrelas de nêutrons.
Crédito da imagem: White Dwarf, Earth e Black Dwarf, via BBC / GCSE (L) e SunflowerCosmos (R).
O escape de neutrinos é insignificante em anãs brancas, o que significa que a radiação através da superfície é o único efeito que importa. Quando calculamos a rapidez com que o calor pode escapar irradiando, isso leva a uma escala de tempo de resfriamento para uma anã branca (como a que o Sol produzirá) de cerca de 10^14 a 10^15 anos. E isso é para chegar a apenas alguns graus acima do zero absoluto!
Isso significa que após cerca de 10 trilhões de anos, ou apenas cerca de 1.000 vezes a idade atual do Universo, a superfície de uma anã branca terá baixado de temperatura para que esteja fora do regime de luz visível. Passado tanto tempo, o Universo terá um novo tipo de objeto: um anã negra Estrela.
Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.
Então não, Steve, sinto muito desapontá-lo, mas há não são quaisquer anãs negras por aí hoje. O Universo é simplesmente muito jovem para isso. Na verdade, as anãs brancas mais legais, segundo nossas estimativas, perderam menos de 0,2% do seu calor total desde que os primeiros foram criados neste Universo. Para uma anã branca criada a 20.000 K, isso significa que sua temperatura ainda é de pelo menos 19.960 K, nos dizendo que temos um longo caminho a percorrer, se estivermos esperando por um verdadeiro estrela Escura .
É engraçado como pensamos em nosso Universo cheio de estrelas, agrupados em galáxias, separados por grandes distâncias. Quando a primeira anã negra surgir, nosso grupo local terá se fundido em uma única galáxia (Milkdromeda), a maioria das estrelas que viverão já terão queimado há muito tempo, com as sobreviventes sendo exclusivamente as de menor massa, estrelas mais vermelhas e mais fracas de todas.
Crédito da imagem: NASA, ESA e Equipe Hubble SM4 ERO; modificações por E. Siegel.
Além disso, todas as outras galáxias além da nossa terão desaparecido para sempre de nosso alcance, graças à energia escura. As chances de vida no Universo estarão no final da cauda, e as estrelas (e cadáveres estelares) começarão a ser expulsas de nossa galáxia devido a interações gravitacionais mais rápidas do que novas estrelas se formam.
E, no entanto, em meio a tudo isso, um novo tipo de objeto surgirá pela primeira vez. Mesmo que nunca vejamos ou experimentemos um, conhecemos o suficiente da natureza para saber não apenas que eles existirão, mas como e quando eles surgirão. E isso, por si só, é uma das partes mais incríveis da ciência!
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