• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Existe uma maneira de salvar nossa galáxia de seu destino 'inevitável'?

Galáxias que não formaram novas estrelas em bilhões de anos e não têm gás dentro delas são consideradas “vermelhas e mortas”. quintal cósmico. Nossa galáxia seguirá o exemplo, e as estrelas morrerão e serão ejetadas, levando ao fim do nosso Grupo Local como o conhecemos. (NASA, ESA, M. BEASLEY (INSTITUTO DE ASTROFÍSICA DE CANARIAS) E P. KEHUSMAA)

Se tudo eventualmente morrer e decair, existe uma maneira de prolongar o inevitável?

Nosso Universo, como existe hoje, nos coloca em uma posição incrivelmente privilegiada. Se tivéssemos surgido apenas alguns bilhões de anos antes, seríamos incapazes de detectar a existência de energia escura e, portanto, nunca saberíamos o verdadeiro destino do nosso Universo. Da mesma forma, se tivéssemos nascido dezenas de bilhões de anos no futuro - apenas algumas vezes a idade atual do Universo - nosso grupo local seria apenas uma galáxia elíptica gigante, sem outras galáxias visíveis além da nossa por centenas de bilhões de luz -anos. Até onde sabemos, nosso Universo está morrendo e uma morte por calor nos espera. Pode não haver maneira de pará-lo, mas poderíamos de alguma forma, com uma tecnologia avançada o suficiente, atrasá-lo? Essa é a questão Apoiador do Patreon John Kozura, que quer saber:

Depois de ler seu post sobre a morte natural do Universo enquanto assistimos passivamente , eu comecei a pensar: o que uma civilização extremamente avançada de nível Tipo III poderia fazer proativamente para fazer um aglomerado de galáxias / local funcionar eficientemente por mais tempo para seu benefício ... entropia e controlar eficientemente o balanço de energia da galáxia?

Se não fizermos nada, nosso destino está selado. Mas mesmo dentro das leis da física, podemos ser capazes de salvar nossa galáxia por mais tempo do que qualquer outra no Universo. Aqui está como.

Uma série de fotos mostrando a fusão Via Láctea-Andrômeda e como o céu parecerá diferente da Terra à medida que isso acontece. Essa fusão ocorrerá cerca de 4 bilhões de anos no futuro, com uma enorme explosão de formação estelar levando a uma galáxia elíptica vermelha e morta, livre de gás: Milkdromeda. Uma única e grande elíptica é o destino final de todo o grupo local. Apesar das enormes escalas e números de estrelas envolvidas, apenas aproximadamente 1 em 100 bilhões de estrelas colidirão ou se fundirão durante este evento. (NASA; Z. LEVAY E R. VAN DER MAREL, STSCI; T. HALLAS; E A. MELLINGER)

Se você quer salvar o Universo, primeiro precisa entender do que o está salvando. No momento, existem cerca de 400 bilhões de estrelas na Via Láctea, e ainda mais em nossa galáxia vizinha, Andrômeda. Tanto nós quanto nosso grande vizinho mais próximo ainda estamos formando estrelas, mas a uma taxa muito menor do que no passado. De fato, a taxa total de formação de estrelas das galáxias ao redor hoje é cerca de 20 vezes menor do que era no seu pico, cerca de 11 bilhões de anos atrás.

No entanto, tanto a Via Láctea quanto Andrômeda têm grandes quantidades de gás nelas, e estamos em rota de colisão.

• Em cerca de 4 bilhões de anos, nós dois nos fundiremos, levando a um incrível evento de formação de estrelas que deve consumir ou ejetar a maior parte do gás em ambas as galáxias.
• Após cerca de outros 2 ou 3 bilhões de anos, nos estabeleceremos em uma galáxia elíptica gigante: Milkdromeda.
• Mais alguns bilhões de anos depois disso, as galáxias menores dentro de nosso Grupo Local gravitacionalmente ligado cairão em Milkdromeda.

Enquanto isso, todas as outras galáxias, grupos de galáxias e aglomerados de galáxias continuam a acelerar para longe de nós. Nesse ponto, a formação de estrelas em nosso futuro lar, Milkdromeda, será apenas um fio, mas teremos mais estrelas presentes dentro dele do que nunca, chegando aos trilhões.

A galáxia starburst Messier 82, com a matéria sendo expelida como mostrado pelos jatos vermelhos, teve essa onda de formação estelar atual desencadeada por uma interação gravitacional próxima com sua vizinha, a brilhante galáxia espiral Messier 81. novas estrelas, elas também esgotarão o gás presente, impedindo um grande número de futuras gerações de estrelas. (NASA, ESA, EQUIPE HUBBLE HERITAGE, (STSCI / AURA); AGRADECIMENTOS: M. MOUNTAIN (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Se não fizermos nada, as estrelas que surgirem simplesmente queimarão quando o tempo passar. As estrelas mais massivas vivem apenas alguns milhões de anos, enquanto estrelas como o nosso Sol podem ter uma vida útil de aproximadamente 10 bilhões de anos. Mas as estrelas menos massivas – as anãs vermelhas que mal têm massa suficiente para iniciar a fusão nuclear em seus núcleos – podem continuar sua queima lenta por até ~ 100 trilhões (10¹⁴) anos. Enquanto houver combustível em seus núcleos para queimar, ou convecção suficiente ocorrendo para trazer novo combustível para o núcleo, a fusão nuclear continuará.

Dado que 4 em cada 5 estrelas do Universo são anãs vermelhas, teremos muitas estrelas por um longo período de tempo. Dado que pode haver ainda mais anãs marrons do que estrelas, onde as anãs marrons são um pouco baixas em massa para fundir hidrogênio em hélio da maneira que as estrelas normais fazem, e que cerca de 50% de todas as estrelas estão em sistemas multi-estrelas , teremos inspirações e fusões desses objetos por períodos de tempo ainda maiores.

Sempre que duas anãs marrons se fundem para formar um objeto massivo o suficiente – mais de cerca de 7,5% da massa atual do nosso Sol – elas irão acender a fusão nuclear em seus núcleos. Esse processo será responsável pela maioria das estrelas em nossa galáxia até que o Universo tenha centenas de quatrilhões (~10¹⁷) de anos.

O cenário de inspiração e fusão para anãs marrons tão bem separadas quanto os sistemas que já descobrimos levaria muito tempo devido às ondas gravitacionais. Mas as colisões são bastante prováveis. Assim como estrelas vermelhas colidindo produzem estrelas azuis retardatárias, colisões de anãs marrons podem produzir estrelas anãs vermelhas. Em escalas de tempo suficientemente longas, esses ‘pontos’ de luz podem se tornar as únicas fontes que iluminam o Universo. (MELVYN B. DAVIES, NATURE 462, 991–992 (2009))

Mas quando o Universo atingir essa idade, outro processo passará a dominar: interações gravitacionais entre as estrelas e remanescentes estelares em nossa galáxia. De vez em quando, duas estrelas ou cadáveres estelares passam perto um do outro. Quando isso ocorrer, eles irão:

• interagem entre si, mas ambos permanecem na galáxia,
• colidem e se fundem,
• perturbar maré um ou ambos os membros, potencialmente sendo despedaçado em um evento cataclísmico de ruptura de maré,
• ou – e esta é a possibilidade mais interessante – eles poderiam fazer com que um membro se tornasse gravitacionalmente mais fortemente ligado ao centro galáctico, enquanto o outro membro se tornasse mais frouxamente ligado, ou mesmo totalmente ejetado.

Essa última possibilidade, em longas escalas de tempo, dominará o destino de nossa galáxia. Pode levar ~10¹⁹ ou até ~10²⁰ anos, mas esse é o ponto em que praticamente todas as estrelas e remanescentes estelares serão enviados para órbitas estáveis ​​que decairão via radiação gravitacional, inspirando-se em torno do centro galáctico até que tudo se funda em um enorme buraco negro , ou ejetado no abismo do espaço intergaláctico.

À medida que um buraco negro encolhe em massa e raio, a radiação Hawking que emana dele se torna cada vez maior em temperatura e potência. Uma vez que a taxa de decaimento excede a taxa de crescimento, a radiação Hawking só aumenta em temperatura e potência. À medida que os buracos negros perdem massa devido à radiação Hawking, a taxa de evaporação aumenta. Depois de um tempo suficiente, um flash brilhante de “última luz” é liberado em um fluxo de radiação de corpo negro de alta energia que não favorece nem matéria nem antimatéria. (NASA)

Além desse tempo, o decaimento orbital da radiação gravitacional e o decaimento do buraco negro da radiação Hawking são os únicos dois processos que importam. Um planeta com a massa da Terra em uma órbita do tamanho da Terra em torno de um remanescente estelar com a massa do nosso Sol levará cerca de 10²⁵ anos para espiralar e se fundir; o buraco negro mais massivo da nossa galáxia, enquanto um buraco negro da massa do nosso Sol levará cerca de 10⁶⁷ anos para evaporar. O buraco negro mais massivo do Universo conhecido pode levar mais de 10¹⁰⁰ anos para evaporar completamente, mas isso é praticamente tudo o que teremos que esperar. De certa forma, se não fizermos mais intervenções, nosso destino estará selado.

Mas e se quiséssemos evitar esse destino, ou pelo menos empurrá-lo para o futuro o mais longe possível? Há algo que possamos fazer sobre qualquer uma ou todas essas etapas? É uma grande questão, mas as leis da física permitem algumas possibilidades verdadeiramente incríveis. Se pudermos medir e saber o que os objetos no Universo estão fazendo com precisão suficiente, talvez possamos manipulá-los de alguma maneira inteligente para manter as coisas um pouco mais.

A chave para fazer isso acontecer é começar cedo.

Se um grande asteróide atingir a Terra, ele tem o potencial de liberar uma enorme quantidade de energia, levando a catástrofes locais ou mesmo globais. Com cerca de 450 metros de comprimento ao longo de seu longo eixo, o asteroide Apophis poderia liberar cerca de 50 vezes a energia da explosão de Tunguska: minúsculo comparado ao asteroide que eliminou os dinossauros, mas muitas vezes maior do que a bomba atômica mais poderosa detonada na história. A chave para parar uma colisão de asteroides é a detecção precoce e a ação precoce para iniciar os procedimentos de deflexão. (NASA / DON DAVIS)

Pense em um problema análogo: o que faríamos se descobríssemos que um asteroide, cometa ou outro objeto significativamente massivo estivesse em rota de colisão com a Terra? O ideal é que você queira desviá-lo, para que ele perca nosso planeta.

Mas qual é a melhor e mais eficiente maneira de fazer isso? É para corrigir o curso deste corpo – não a Terra, mas o objeto de menor massa que está vindo em nossa direção – o mais cedo possível. Uma pequena mudança no momento no início, que surge de uma força que você exerceria sobre este corpo durante um período de tempo, desviará sua trajetória em uma quantidade muito mais significativa do que essa mesma força um pouco mais tarde. Quando se trata de dinâmica gravitacional, um grama de prevenção é muito mais eficaz do que um quilo de cura um pouco mais tarde.

É por isso que, quando se trata de defesa planetária, as coisas mais importantes que podemos fazer são:

• identificar e rastrear todos os objetos acima de um determinado tamanho perigoso o mais cedo possível,
• caracterizar sua órbita com a maior precisão possível,
• e entender com quais objetos ele irá interagir e passar perto ao longo do tempo, para que possamos projetar sua trajetória com precisão muito longe no futuro.

Dessa forma, se algo nos atingir, podemos intervir o mais cedo possível.

O NEXIS Ion Thruster, nos Jet Propulsion Laboratories, é um protótipo de um propulsor de longo prazo que pode mover objetos de grande massa em escalas de tempo muito longas. (NASA/JPL)

Existem várias estratégias que podemos adotar para desviar um objeto por uma pequena quantidade durante um longo período de tempo. Eles incluem:

• anexar uma vela de algum tipo ao objeto que queremos mover, dependendo das partículas do vento solar ou do fluxo externo de radiação, para mudar sua trajetória,
• criando uma combinação de lasers ultravioleta (para ionizar átomos) e um forte campo magnético (para canalizar esses íons em uma determinada direção) para criar um impulso, alterando assim sua trajetória,
• anexando um mecanismo passivo de algum tipo ao objeto em questão - como um propulsor de íons — para acelerar lentamente um corpo sólido na direção desejada,
• ou simplesmente mover outras massas menores para perto do objeto que queremos desviar, deixando a gravidade cuidar do resto, como um jogo de bilhar cósmico.

Diferentes estratégias podem ser mais ou menos eficazes para diferentes objetos. O propulsor de íons pode funcionar melhor para asteróides, enquanto a solução gravitacional pode ser absolutamente necessária para estrelas. Mas esses são os tipos de tecnologias que geralmente podem ser usadas para desviar objetos massivos, e é isso que gostaríamos de fazer para controlar suas trajetórias a longo prazo.

Nos centros das galáxias, existem estrelas, gás, poeira e (como sabemos agora) buracos negros, todos orbitando e interagindo com a presença supermassiva central na galáxia. Em escalas de tempo suficientemente longas, todas essas órbitas decairão, levando ao consumo da maior massa restante. No centro galáctico, este deve ser o buraco negro supermassivo central; em nosso Sistema Solar, que deveria ser o Sol. Pequenas mudanças induzidas por nós em uma determinada direção, no entanto, podem estender essas escalas de tempo em várias ordens de magnitude. (ESO/MPE/MARC SCHARTMANN)

O que posso vislumbrar em um futuro distante, muito distante, é uma rede de uma combinação destes que encontram e procuram massas sólidas em todo o Universo – asteroides, cinturão de Kuiper e objetos da nuvem de Oort, planetesimais, luas, etc. seus próprios relógios atômicos a bordo e sinais de rádio suficientemente fortes para se comunicarem a grandes distâncias.

Eu posso imaginar que eles mediriam a matéria dentro de nossa galáxia – o gás na Via Láctea, as estrelas e remanescentes estelares em Milkdromeda, as estrelas fracassadas que se fundirão para formar estrelas subsequentes no Universo tardio, etc. – e eles poderiam calcular quais trajetórias eles precisariam seguir para manter a quantidade máxima de matéria bariônica (normal) dentro de nossa galáxia.

Se você puder guiar esses objetos em órbitas estáveis ​​por mais tempo, de modo que o processo de relaxamento violento – onde objetos de baixa massa sejam expulsos ao longo do tempo enquanto objetos de maior massa afundam para o centro – seria uma maneira de manter a matéria que temos por mais tempo, e isso permitiria que nossa galáxia sobrevivesse, em certo sentido, por períodos de tempo muito mais longos.

O antigo aglomerado globular Messier 15, um exemplo típico de um aglomerado globular incrivelmente antigo. As estrelas no interior são bastante vermelhas, em média, com as mais azuis formadas pela fusão de antigas e mais vermelhas. Este aglomerado é altamente relaxado, o que significa que as massas mais pesadas afundaram para o meio, enquanto as mais leves foram chutadas para uma configuração mais difusa ou ejetadas completamente. Este efeito de relaxamento violento é um processo físico real e importante, mas pode ser controlável com massas suficientemente grandes em uma rede com propulsores apropriados conectados. (ESA/HUBLE & NASA)

Você não pode impedir que a entropia aumente, mas pode impedir que a entropia aumente de uma maneira específica realizando trabalho em uma direção específica. Contanto que haja energia para extrair de seu ambiente, o que você pode fazer enquanto estrelas e outras fontes de energia estiverem por perto, você pode usar essa energia para direcionar de que maneira sua entropia aumenta. É mais ou menos como, quando você limpa seu quarto, a entropia geral do sistema você + quarto aumenta, mas a desordem em seu quarto diminui à medida que você coloca energia nele. Foram suas contribuições que mudaram a situação da sala, mas você mesmo pagou o preço.

Da mesma forma, as sondas de pastoreio ligadas a várias massas pagariam o preço em termos de energia, mas poderiam manter as massas em uma configuração de longo prazo muito mais estável. Isso pode levar a:

• mais gás restante dentro da Via Láctea para participar de futuras gerações de formação de estrelas,
• mais estrelas e remanescentes estelares permanecendo em Milkdromeda e menos grandes massas caindo em direção ao buraco negro central em nossa galáxia,
• e vidas mais longas para estrelas e remanescentes estelares, aumentando a quantidade de tempo que fusões e a ignição de novas estrelas podem ocorrer.

Quando duas anãs marrons, no futuro, finalmente se fundirem, elas provavelmente serão a única luz brilhando no céu noturno, já que todas as outras estrelas se apagaram. A anã vermelha resultante será a única fonte de luz primária que resta no Universo naquele momento. (USUÁRIO TOMA/MOTOR ESPACIAL; E. SIEGEL)

Em teoria, há uma maneira de maximizar a duração em que ainda teremos estrelas (e fontes de energia) no que resta do nosso Grupo Local no futuro. Ao rastrear e observar esses aglomerados de matéria flutuando pelo espaço, podemos calcular – ou fazer com que a inteligência artificial calcule – o conjunto ideal de trajetórias para desviá-los, maximizando a quantidade de massa, o número de estrelas e/ou o fluxo de energia de luz das estrelas dentro de nossa futura galáxia. Podemos ser capazes de aumentar a duração sobre a qual teremos energia utilizável, estrelas com planetas rochosos ao seu redor e até, potencialmente, vida, por fatores de 100 ou até mais.

Você nunca pode derrotar a segunda lei da termodinâmica, pois a entropia sempre aumentará. Mas isso não significa que você simplesmente tem que desistir e deixar o Universo correr solto em qualquer direção que a natureza o leve. Com a tecnologia certa, podemos minimizar a taxa na qual as ejeções estelares ocorrem e maximizar o número total de estrelas que se formarão, bem como a duração em que elas persistirão. Se pudermos sobreviver à nossa infância tecnológica e realmente nos tornarmos uma civilização espacial e tecnologicamente avançada, poderemos, de certa forma, salvar nossa galáxia de uma maneira que nenhuma outra galáxia jamais será salva. Se uma civilização superinteligente está lá fora, essa pode ser a evidência que eles procurariam para saber, mesmo do outro lado do Universo agora inalcançável, que eles realmente não estavam sozinhos.

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Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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