Throwback Thursday: Um novo ano do universo

Crédito da imagem: NASA, Estação Espacial Internacional, 2008.

Enquanto 2015 nos dá um novo começo, podemos considerar o Big Bang até hoje como um Ano do Universo. O que vem depois?



E agora damos as boas vindas ao novo ano. Cheio de coisas que nunca foram.
Rainer Maria Rilke



Um dos fatos mais surpreendentes sobre o Universo é que, apesar de ter passado apenas algumas centenas de anos estudando os constituintes e forças fundamentais do que nos faz – e o resto do Universo –, a humanidade foi capaz de descobrir com precisão o que tudo isso realmente é.

Crédito da imagem: ESO / S. Brunier.



As leis da natureza são quase completamente compreendido em alguns sentidos muito importantes. Sabemos que nosso Universo tem cerca de 13,8 bilhões de anos, apesar de ter experiências e observações humanas que variam de apenas algumas frações de segundo a um número escasso de anos. Nossas investigações das leis da natureza hoje nos permite olhar para a história distante do Universo e entender como era 13,8 bilhões de anos atrás , e como isso deu origem ao nosso Universo hoje.

Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.

Isso é muito mais impressionante se pensarmos logaritmicamente, que é algo que estamos mais acostumados a fazer para distância. No passado distante do Universo, quando tinha apenas 380.000 anos, era quente demais para formar átomos neutros; isso é o que vemos como o brilho remanescente do Big Bang: o fundo cósmico de micro-ondas! Isso foi quando o Universo tinha apenas 0,0028% de sua idade atual, ou 1/36.300 da idade que tem agora.



Podemos extrapolar ainda mais para trás, para a época em que o Universo formou os primeiros núcleos atômicos, quando tínhamos apenas 200 segundos ou mais de idade, ou cerca de 4 × 10^-16 vezes a nossa idade atual.

Crédito da imagem: Shutterstock, de aniquilação de matéria-antimatéria.

Antes disso, era tão quente que estávamos criando espontaneamente pares de matéria/antimatéria, quando o Universo tinha cerca de 10^-18 vezes sua idade atual e quando todas as partículas que criamos em aceleradores - incluindo o Higgs - eram comuns no Universo, nas energias mais altas que atualmente (e robustamente) entendemos as leis fundamentais da física, o Universo tinha apenas algumas dezenas de picossegundos, ou cerca de 10^-28 de sua idade atual.



Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.

eu recentemente criou uma imagem (que foi modificado/atualizado) que mostra alguns dos eventos importantes em nossa história natural em uma escala linear, mas compactada: como seria nossa história se, em vez de nossos 13,81 bilhões de anos, simplesmente reduzíssemos tudo para caber apenas um ano civil. Os resultados são impressionantes e fazem um tremendo trabalho ao colocar toda a nossa história passada em uma perspectiva de tempo com a qual podemos nos relacionar.



Crédito da imagem: eu, de toda a história do Universo compactada em um ano.

O engraçado é que isso só explica como chegamos aqui. Podemos considerar tudo o que nos trouxe até o presente ano 1 do Universo, onde 3 de agosto de 1978, momento em que nasci, corresponde aos últimos 0,083 segundos antes da meia-noite desse primeiro ano do Universo. E o outro lado da moeda: para onde estamos indo? Como o famoso físico Niels Bohr (provavelmente) brincou uma vez:

A previsão é muito difícil, especialmente sobre o futuro.

As coisas não parecem tão cor-de-rosa para você e para mim, devo dizer. Com base nas expectativas de vida atuais, provavelmente só chegarei às 00:00:00.1 do dia 1º de janeiro do ano 2 do Universo. As constelações com as quais estamos familiarizados serão todas irreconhecíveis às 00:02. chega e, apenas alguns minutos depois, é provável que entremos na próxima era glacial.

Crédito da imagem: Stuart Rickard do After Ice, via http://blog.after-ice.com/stuart-rickard/ .

Coisas que consideramos raras: a nova formação de aglomerados de estrelas, supernovas, erupções de supervulcões e ser atingido por asteroides destruidores de cidades acontecerão em nossa vizinhança nos primeiros minutos, no máximo, do ano 2 do Universo.

Mas esses eventos estão acontecendo tão rapidamente por causa de quão severamente comprimimos nossas escalas de tempo cósmicas! Por que se contentar com eventos e acontecimentos de pequena escala como esses, quando podemos ir tão grandes quanto nossa imaginação permite? Assim como nossas leis da física nos permitem extrapolar para o passado distante, elas também nos permitem extrapolar para o futuro distante! Podemos começar com o maior objeto no céu noturno medido pelo tamanho angular: a galáxia de Andrômeda.

Crédito da imagem: NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas e A. Mellinger.

Nos próximos três a cinco bilhões de anos, a Galáxia de Andrômeda (e possivelmente a menor Galáxia do Triângulo) se fundirá com a nossa Via Láctea, causando uma mudança espetacular na estrutura da nossa galáxia e no céu noturno em geral. Atualmente a 2,5 milhões de anos-luz de distância, mas movendo-se em nossa direção a 43 km/s, nossas melhores simulações indicam que a primeira colisão e explosão de formação estelar (painel 4, acima) acontecerá em 3,8 bilhões de anos – ou em 10 de abril do ano 2 do Universo — e que a fusão estará completa após 5,5 bilhões de anos, ou em 25 de maio daquele segundo ano.

Enquanto a gravitação fará com que o grupo local acabe se fundindo conosco, a energia escura fará com que todos de outros galáxias e aglomerados – aqueles que não estão vinculados a nós hoje – eventualmente se desviarão para longe de nós, deixando nosso Universo observável em escalas de tempo de bilhões a centenas de bilhões de anos. Como está agora, 97% das galáxias em nosso Universo agora são inalcançáveis ​​para nós, e a cada segundo cósmico que passa em nosso ano do Universo, aproximadamente outras 30 galáxias também se tornam inalcançáveis.

Mas nem a expansão acelerada do Universo nem nosso grande colapso galáctico iminente afetarão, com toda a probabilidade, nosso Sistema Solar. (Na verdade, você sabe quantas estrelas provavelmente sofrerão uma colisão com outra estrela devido a todo o processo de fusão entre as duas maiores galáxias do nosso grupo local? Apenas seis , de cerca de um trilhão de estrelas!) Em vez disso, vamos nos concentrar em nosso pequeno canto do espaço no Sistema Solar e ver exatamente quando certos eventos espetaculares provavelmente ocorrerão!

Crédito da imagem: Mark Garlick / HELAS.

O Sol continuará a ficar mais quente à medida que envelhece, fervendo nossos oceanos em aproximadamente 1 a 2 bilhões de anos – ou em 8 de fevereiro do ano 2, mais ou menos duas semanas – e terminando a vida na Terra como a conhecemos. Eventualmente, cerca de 5 a 7 bilhões de anos depois, ficaremos sem combustível nuclear no núcleo do Sol, o que fará com que nossa estrela-mãe se torne uma Gigante Vermelha, engolindo Mercúrio e Vênus no processo. Isso vai acontecer ao redor 8 de junho , dar ou tomar um pouco menos de um mês. Devido às particularidades da evolução estelar, o sistema Terra/Lua provavelmente ser empurrado para fora e ser poupado do destino ardente de nossos vizinhos internos.

Crédito de imagem: Vicent Peris, José Luis Lamadrid, Jack Harvey, Steve Mazlin, Ana Guijarro.

Depois de queimar seu combustível nuclear restante – principalmente o hélio em seu núcleo – o Sol expele suas camadas externas para formar uma nebulosa planetária, e o núcleo de nossa estrela se contrairá para se tornar uma anã branca. Este é o destino final de quase todas as estrelas do nosso Universo. Mas os planetas ainda estarão aqui, orbitando nosso frio e obscuro remanescente estelar, e esse processo se completará cerca de 9,5 bilhões de anos a partir de hoje, ou em 8 de setembro , ainda no 2º ano.

Crédito da imagem: Dang, isso é legal! através da http://dangthatscool.wordpress.com/.

Durante todo esse tempo, no entanto, a Terra continua a orbitar o Sol enquanto a Lua continua a puxar gravitacionalmente sobre ela, e isso causa uma torque , que é o que você obtém quando aplica uma força externa a um objeto em rotação. Isso faz com que a Lua se afaste da Terra enquanto simultaneamente faz com que a rotação da Terra diminua! A desaceleração é quase imperceptível; a rotação da Terra diminui (e, portanto, o dia se alonga) por meros 1,4 milissegundos por século , mas isso é um piscar de olhos em termos de um ano do Universo. Com o Sol queimado, tudo o que temos é tempo.

E depois de cerca de 50 bilhões de anos, a Lua terá sido empurrada para mais longe da Terra, de modo que seu período orbital será mais de 47 dias (em comparação com os atuais 27,3 dias), e nosso dia de 24 horas terá diminuído para partida: levará 47 dos dias de hoje para fazer apenas um dia no dia da Terra de 50 bilhões de anos no futuro. Neste ponto, a Lua e a Terra estarão travado por maré , de modo que a Terra e a Lua sempre aparecem exatamente na mesma posição nos céus uma da outra. Isso será finalmente alcançado em 14 de agosto, ano 5 .

Crédito da imagem: White Dwarf, Earth e Black Dwarf, via BBC / GCSE (L) e SunflowerCosmos (R).

Eventualmente, as estrelas anãs brancas ficarão pretas, à medida que esfriam e irradiam sua energia. Isso levará muito tempo: talvez 10^16 anos pelas minhas estimativas (embora sua milhagem vai variar ), ou cerca de um milhão de vezes a idade atual do Universo. Os átomos ainda estarão lá, eles estarão apenas alguns graus acima do zero absoluto. Neste ponto, todo o céu noturno estará escuro, pois todas as estrelas do nosso grupo local terão queimado. Com exceção de uma fusão ocasional de estrelas falidas, não haverá nenhuma luz no céu.

Neste ponto, o espaço será realmente, realmente Preto. E isso não vai acontecer até que o (Universo) ano 724.000 ou então!

A galáxia, enquanto isso, se tornará um lugar violento se esperarmos o suficiente. As estrelas são entidades muito, muito pequenas em comparação com as distâncias entre elas; há menos de 0,1% de chance de uma estrela parecida com o Sol colidir com outra estrela durante sua vida. Mas entre nós, Andrômeda, e o resto do grupo local, há alguns um trilhão estrelas e restos estelares voando ao redor. Nesse sistema caótico, um sistema estelar típico pode passar muito, muito tempo sem colidir com mais nada, mas temos todo tipo de tempo.

Crédito da imagem: Tod Strohmayer/CXC/NASA e Dana Berry/CXC.

Após um tempo aproximado de 10^21 anos, a anã agora negra no centro do nosso Sistema Solar colidirá aleatoriamente com outra anã negra, produzindo uma explosão de Supernova Tipo Ia e destruindo efetivamente o que resta do nosso Sistema Solar. Isso acontece em torno do Universo ano 100 bilhões , ou um número maior de anos do Universo do que tivemos atual anos até aqui!

Crédito de imagem: NASA, ESA, Zolt Levay (STScI).

Pelo menos, isso poder acontecer. Esse será o destino final de vários estrelas do nosso grupo local, mas não todas! Porque há outro processo concorrente que – pelos meus cálculos – é possivelmente ainda mais provável de acontecer conosco: ejeção gravitacional do grupo local devido a um processo chamado relaxamento violento! Quando há vários corpos em uma órbita gravitacionalmente caótica, às vezes um é ejetado, deixando o resto ainda mais fortemente ligado.

Isso é o que acontece nos aglomerados globulares ao longo do tempo e explica por que eles são tão compactos e também por que existem tantos retardatários azuis – ou estrelas mais antigas que se fundiram – no núcleo dessas relíquias antigas!

Crédito da imagem: M. Shara, R.A. Safer, M. Livio, WFPC2, HST, NASA.

Em nosso Universo, é bem provável que vejamos isso acontecer com nosso Sistema Solar depois de cerca de 10-100 milhões de anos do Universo . Então, se somos um dos sistemas estelares ejetados, e daí? Os planetas restantes continuarão a orbitar a estrela morta no centro do nosso Sistema Solar para sempre?

Se for isso que acabar acontecendo, teremos todo tipo de tempo enquanto o Universo descobre o que vem a seguir para o nosso Sistema Solar.

Crédito da imagem: American Physical Society, via http://www.aip.org/ .

E poderíamos ter ficado para sempre, se não fosse por essa radiação gravitacional irritante!

Nossas órbitas - mesmo órbitas gravitacionais na Relatividade Geral – vai muito, muito lentamente decair ao longo do tempo. Pode levar um tempo excepcionalmente longo, alguns 10^150 anos, mas eventualmente, a Terra (e todo os planetas, depois de um tempo suficiente) terão suas órbitas decaídas e entrarão em espiral na massa central do nosso Sistema Solar. Neste ponto, a diferença entre anos regulares e anos do Universo não é tão grande; basta subtrair 10 do expoente de ambos os números para converter, então 10^140 Anos do universo para espiralar na anã negra em nosso Sistema Solar.

Isto gostaria levar ainda mais tempo - talvez 10^190 anos do Universo ou até mais - para as últimas estrelas que restam no que já foi nosso grupo local para espiralar para a massa central após a fusão Via Láctea-Andrômeda, mas eu faria não se preocupe com essa possibilidade.

Crédito da imagem: NASA.

Porque isso nunca vai acontecer! Como há um buraco negro lá, ele já terá evaporado graças a Radiação Hawking ! A radiação Hawking eliminará até mesmo os buracos negros mais supermassivos do Universo depois cerca de 10^90 anos do Universo, e um buraco negro de massa solar em uns escassos 10^57 anos do Universo. Então – presumindo que não existam outros mecanismos de decaimento de longo prazo por aí – essas são as escalas de tempo mais longas que podemos esperar que algo parecido com as estrelas, galáxias, buracos negros e sistemas solares no Universo que conhecemos hoje permaneça.

Crédito da imagem: NASA , ESTA , J. Jee (Universidade da Califórnia, Davis), J. Hughes (Universidade Rutgers), F. Menanteau (Universidade Rutgers e Universidade de Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Observatório de Leiden), R. Mandelbum (Carnegie Mellon University), L. Barrientos (Universidad Católica de Chile) e K. Ng (Universidade da Califórnia, Davis).

Levará menos de 1 ano no Universo para que nossa estrela morra completamente e para que a Terra fique orbitando um remanescente estelar. Depois de apenas 10 ou 15 anos do Universo, restará apenas uma galáxia em nosso Universo: Milkdromeda, ou o que resta depois de nos fundirmos com o resto do nosso grupo local. Vai demorar mais do que isso – cerca de 724.000 anos do Universo – para todas as estrelas no céu queimarem. Levará de 10 a 100 milhões de anos do Universo para sermos ejetados da galáxia, mas se formos um dos sortudos que não for, levará cerca de 100 bilhão Anos do universo para colidirmos com outra anã negra, fazendo com que nosso sistema estelar fosse destruído em uma explosão de supernova. Mas se evitarmos esses dois destinos, levará 10^90 anos do Universo para a própria galáxia – e todos os buracos negros nela – se dissociarem devido à radiação Hawking.

E com isso, feliz ano novo (Universo)!


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