• Começa Com Um Estrondo

O universo está morrendo muito lentamente enquanto os cientistas observam impotentes

A nebulosa planetária mostrada aqui, NGC 2440, mostra uma grande quantidade de material ejetado durante os estágios finais da vida de uma estrela gigante vermelha moribunda. As incertezas na modelagem da evolução do nosso Sol além da fase da sequência principal são grandes demais para tirar conclusões definitivas sobre a capacidade de sobrevivência do planeta Terra, mas podemos dizer muito sobre o futuro da formação de estrelas e as chances de vida em nosso Universo. (EQUIPE HUBBLE HERITAGE, ESA/NASA HUBBLE E HOWARD BOND (STSCI) E ROBIN CIARDULLO (PENN STATE))

O inevitável declínio longo e lento está se acelerando e não há nada que possamos fazer.

O Universo, como é hoje, está menos ativo, está formando menos estrelas e está criando menos chances de uma nova vida do que nunca. Para ser franco, os melhores dias do Universo não estão apenas por trás disso, mas as coisas estão ficando cada vez piores com o passar do tempo. À medida que extrapolamos o que vai acontecer cada vez mais à frente no futuro, ficamos com um e apenas um resultado previsto: o Universo vai acabar completamente morto, sem meios de extrair energia no futuro. Vamos chegar a um estado de entropia máxima, que corresponde à morte térmica do Universo.

Pode parecer chocante, principalmente porque podemos até ver regiões onde novas estrelas estão se formando a olho nu, mas é verdade. Não apenas nós, como humanos, somos impotentes para fazer qualquer coisa sobre o fato de que o Universo está morrendo, mas nossa única esperança de um resultado diferente é se as leis da física forem diferentes do que a melhor evidência que temos aponta. Aqui está a evidência que temos de que nosso Universo já está se aproximando de seu fim e o pouco de esperança que resta.

Arp 116, dominado pela gigante elíptica Messier 60. Sem grandes populações de gás para formar novas estrelas, as estrelas já existentes dentro da galáxia acabarão se extinguindo, deixando pouco que possa iluminar os céus para trás. As galáxias elípticas ricas em metais que ficaram sem combustível mais rapidamente podem ser os melhores lugares para procurar os primeiros planetas habitáveis ​​a surgir no Universo, mas estão entre os piores lugares para esperar novas estrelas. (TELESCÓPIO ESPACIAL HUBBLE DA NASA/ESA)

Existem todos os tipos de maneiras diferentes de olhar para o Universo e quantificar o que já ocorreu versus o que ainda está à nossa frente. Podemos examinar:

• a taxa de formação de estrelas e como ela mudou ao longo da história do Universo,
• o número de chances para a vida que existem atualmente, e quantas mais podemos esperar que surjam no futuro,
• a quantidade de material de formação de estrelas que permanece,
• a corrida cósmica entre a gravidade, que causa o crescimento e as fusões galácticas, e a expansão, que separa as galáxias,
• a entropia do Universo, e como ela está evoluindo,
• e todos os diferentes tipos de eventos de liberação de energia que ocorreram, estão ocorrendo e ocorrerão durante o restante da existência do Universo.

Por cada uma dessas métricas, o Universo está mais perto de sua morte final – e um estado totalmente morto – não apenas do que nunca, mas do que a maioria dos cientistas e leigos percebem. A maioria das coisas que acontecerão no Universo já aconteceu, como se uma mangueira de fogo de possibilidades estivesse amplamente esgotada, e estamos reduzidos a um mero fio hoje. Claro, pode haver vestígios de gotas e gotículas que surgem ainda no futuro, mas o fato preocupante é que os dias de glória do Universo já se foram há muito tempo.

A jovem estrela 2MASS J16281370–2431391 está rodeada por um disco de gás e poeira visto quase de lado: um disco protoplanetário. Desde 2MASS, descobrimos um grande número desses objetos e com muito mais detalhes, descobrindo que esses objetos são onipresentes, mas menos comuns hoje do que eram há mais de 10 bilhões de anos. (PESQUISA DO CÉU DIGITALIZADO 2/NASA/ESA)

Formação de estrelas . Quando olhamos para o Universo, ainda é um lugar ativo. Temos muitos lugares, mesmo em nossa própria galáxia, que estão formando estrelas ativamente, como a vizinha Nebulosa de Órion. Como um todo, um pouco menos de 1 nova massa solar de estrelas se forma em nossa galáxia a cada ano. Em outras partes do Universo, existem muitas galáxias com taxas de formação de estrelas muito maiores, incluindo:

• galáxias passando por grandes fusões,
• galáxias que estão engolindo seus companheiros,
• galáxias que estão ativamente acumulando material gasoso,
• galáxias que estão interagindo gravitacionalmente com outras galáxias próximas,
• e galáxias que estão simplesmente passando por um evento onde grandes nuvens de gás estão colapsando gravitacionalmente,

todos os quais desencadeiam enormes explosões de formação de estrelas. No caso mais extremo, toda a galáxia se torna uma galáxia starburst: onde a coisa toda se torna uma região gigante de formação de estrelas. Se olharmos para o nosso próprio futuro, estamos caminhando para uma grande fusão em cerca de 4 bilhões de anos – com nossa galáxia vizinha, Andrômeda – e isso vai desencadear uma enorme explosão estelar no que eventualmente se tornará uma combinação das duas maiores galáxias do nosso Grupo Local: Milkdromeda.

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)

Infelizmente para nossas esperanças, no entanto, podemos medir a frequência com que eventos como esse ocorrem agora versus a frequência com que ocorreram no passado. Podemos medir quão prolíficos são esses eventos de explosão estelar versus quão prolíficos eles foram e, com nossas medições do Universo distante e profundo, podemos reconstruir a história da formação estelar do nosso cosmos.

Aprendemos que a taxa de formação de estrelas era muito maior no passado, atingindo o pico quando o Universo tinha cerca de 2 a 3 bilhões de anos. Esse foi o período de tempo em que o maior número de novas estrelas se formou, e a taxa de formação de estrelas do Universo vem diminuindo desde então. A maioria das estimativas, hoje, nos diz que nossa taxa atual de formação de estrelas é apenas cerca de 3 a 5% do que era no auge e que continua a diminuir. A esmagadora maioria das estrelas que se formarão no Universo já se formaram, e a taxa de formação de estrelas só, em geral, continuará a cair com o tempo.

Os átomos podem se ligar para formar moléculas, incluindo moléculas orgânicas e processos biológicos, no espaço interestelar e nos planetas. Se os ingredientes para a vida estão em toda parte, então a vida também pode ser onipresente. Tudo foi semeado por gerações anteriores de estrelas. (JENNY MOTAR)

Chances para a vida. Essa métrica pode ser um pouco melhor que a anterior, mas não muito. Se você quer uma chance de vida em seu Universo – pelo menos, a vida como a entendemos atualmente – você precisa de um mundo rochoso para que ela exista e persista. Esse mundo deve ter uma fonte contínua de energia, como uma estrela-mãe estável, e também deve ter todos os ingredientes brutos que sabemos que precisamos para a vida em nosso mundo: elementos leves e pesados ​​suficientes para permitir os processos que associamos à vida .

Isso significa que as estrelas mais antigas, que não têm esses elementos mais pesados, não são boas para a vida, o que significa que a vida tinha mais chances de surgir mais tarde. Mas há uma desvantagem nessa abordagem: até onde a entendemos, as estrelas mais leves e comuns do Universo, as anãs vermelhas de baixa massa, são inadequadas para a vida, pois seus planetas rochosos devem ficar travados por maré, estarão sujeitos a chamas. e remoção atmosférica da estrela central, e recebem quantidades desproporcionais de radiação ionizante.

A grande maioria das estrelas que poderiam potencialmente abrigar vida já se formou, e o fio de formação de estrelas que nos espera no futuro distante deve produzir sistemas que atualmente desaprovamos para a vida. Embora existam muitas outras chances que se seguirão, e elas se espalharão por muitos bilhões ou até mesmo trilhões de anos, a esmagadora maioria dessas chances já foi aproveitada pelo Universo.

A galáxia starburst Messier 82, com 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. o gás disponível para formar estrelas não apenas queima, mas também é ejetado das galáxias que o hospedam. (NASA, ESA, EQUIPE HUBBLE HERITAGE, (STSCI / AURA); AGRADECIMENTOS: M. MOUNTAIN (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Material de formação de estrelas restante . Este é um desafio, porque tudo o que você precisa para formar novas estrelas é gás não queimado: principalmente hidrogênio, mas também hélio. Apesar de termos 13,8 bilhões de anos de história, isso só foi suficiente para mudar o equilíbrio do nosso Universo de uma divisão inicial de 75% hidrogênio/25% hélio para aproximadamente 70% hidrogênio/28% hélio/2% outros; o Universo ainda é principalmente hidrogênio. Quando passamos por grandes eventos de formação de estrelas, apenas cerca de 10% dessa massa forma estrelas; o resto é levado de volta ao meio interestelar, onde pode participar de eventos posteriores.

Mas isso não é totalmente verdade. À medida que as galáxias gravitam, se fundem e formam estrelas, o material gasoso que não fica preso nas estrelas será retirado das próprias galáxias: ejetado no meio intergaláctico. Com o passar do tempo, cada vez menos galáxias aparecem de cor azul – onde azul é a cor de estrelas jovens e recém-formadas – e mais e mais delas se tornam vermelhas, onde nenhuma formação estelar substancial ocorreu por bilhões de anos.

Mais uma vez, a formação de estrelas atingiu seu pico há cerca de 11 bilhões de anos e vem declinando desde então. Há mais galáxias vermelhas e mortas do que nunca, e até Milkdromeda, a futura galáxia gigante que dominará nossa vizinhança local, está prevista para se tornar vermelha e morta após cerca de outros 7 bilhões de anos. Mesmo que a matéria-prima esteja lá para formar um número enorme de novas estrelas, em nosso Universo, a maioria nunca terá a chance, e o próximo ponto explica o porquê.

Os destinos distantes do Universo oferecem uma série de possibilidades, mas se a energia escura for realmente uma constante, como os dados indicam, ela continuará seguindo a curva vermelha, levando ao cenário de longo prazo descrito aqui: do eventual calor morte do Universo. No entanto, a temperatura nunca cairá para zero absoluto. (NASA/GSFC)

A corrida cósmica entre a gravidade e a expansão do Universo . Nos primeiros ~ 7 bilhões de anos da história do Universo, a gravitação neutralizou a taxa de expansão quase perfeitamente. Em pequenas escalas, formaram-se estrelas, aglomerados de estrelas e galáxias; em escalas maiores, grupos de galáxias, aglomerados e uma grande teia cósmica começaram a se formar. À medida que o Universo se expandiu, ficou menos denso e, cerca de 6 bilhões de anos atrás, tornou-se difuso o suficiente para começarmos a experimentar um novo efeito: da energia escura. Havia uma forma de energia inerente ao próprio espaço, e isso impede que a expansão desacelere ainda mais quando chegamos a um certo ponto.

Isso significa que as estruturas gravitacionalmente ligadas que se formaram na época em que cerca de 7 a 8 bilhões de anos se passaram são isso; a partir desse ponto, se alguma coisa ainda não estava gravitacionalmente ligada, nunca será. Nossos grupos e aglomerados de galáxias hoje já estão fixos; o Grupo Local nunca se fundirá com o Aglomerado de Virgem, o Grupo Leo, e nem mesmo permanecerá como parte de Laniakea, nosso chamado superaglomerado local. Esta é uma corrida que já está decidida; a expansão ganhou e a gravidade perdeu. Como tal,

• a taxa de fusão de galáxias está atualmente despencando,
• material que é ejetado no meio intergaláctico fica lá,
• e as grandes estruturas ligadas no Universo pararam de crescer.

Com a energia escura dominando nosso Universo hoje, e com esse nível de domínio apenas aumentando com o passar do tempo, quase terminamos de formar todas as estruturas complexas que se formarão no cosmos. A menos que tenhamos a natureza da energia escura totalmente errada, é aqui que estamos e também para onde estamos indo.

Codificados na superfície do buraco negro podem estar bits de informação, proporcionais à área de superfície do horizonte de eventos. À medida que a matéria e a radiação caem no buraco negro, a área da superfície aumenta, permitindo que essa informação seja codificada com sucesso. Quando o buraco negro decai, a entropia não diminui. (T.B. BAKKER / DR. J.P. VAN DER SCHAAR, UNIVERSITEIT VAN AMSTERDÃ)

Entropia . Esta é uma maneira totalmente diferente de ver as coisas: da perspectiva do que comumente chamamos de desordem no Universo, mas que mais precisamente é uma medida de:

• quantos arranjos possíveis do seu sistema existem que resultam no mesmo estado quântico,
• ou quanta energia térmica pode ser extraída de um sistema e transformada em trabalho útil.

Sistemas de baixa entropia podem ter muito trabalho extraído deles; sistemas de alta entropia não podem. À medida que o Universo envelhece, sua entropia aumenta e há cada vez menos espaço para a extração de energia e para a realização de trabalho útil.

Trabalho útil inclui coisas como a fusão nuclear convertendo matéria em energia nos núcleos das estrelas, a criação de vida a partir de não-vida e processos metabólicos. Infelizmente para nós, a entropia do nosso Universo aumentou dramaticamente: de S = 10⁸⁸ KB imediatamente após o Big Bang para S = 10¹⁰³ KB hoje, dominado pelos buracos negros supermassivos do Universo. Infelizmente, essa tendência continuará até que a entropia atinja um valor de ~10¹²⁰ KB , e quando esses buracos negros decaem pela radiação Hawking, dificilmente haverá trabalho útil que possa ser extraído deles. Simplesmente não há muito o que esperar em comparação com o que já aconteceu.

Ilustração de uma rápida explosão de raios gama, há muito pensada para ocorrer a partir da fusão de estrelas de nêutrons. O ambiente rico em gás ao seu redor pode atrasar a chegada do sinal, mas o mecanismo que produz o similar também pode causar um atraso na emissão do sinal. A luz e a gravidade devem viajar, através do vácuo do espaço, na mesma velocidade. (ESO)

Eventos de liberação de energia . Sim, a fusão nuclear continuará nas estrelas, particularmente nas estrelas de menor massa, por trilhões e trilhões de anos. Estrelas e remanescentes estelares se fundirão ao longo do tempo, reiniciando a fusão nuclear, levando a novas e supernovas, e desencadeando explosões de raios gama e outros eventos transitórios de liberação de energia. Os núcleos galácticos e outras fontes de massa rasgarão a matéria, criando eventos de perturbação das marés, enquanto a alimentação de buracos negros acelerará a matéria e liberará radiação. Há muito e muito disso ainda à nossa frente em nosso futuro cósmico.

Mas, mais uma vez, a maior parte da energia que já foi liberada por esses processos já foi liberada, e há um fator concorrente que impede que mais objetos experimentem esses tipos de cataclismos: interações gravitacionais entre objetos. Com o tempo, os objetos de massa mais pesada afundam para o centro da troca de momento e momento angular, mas os objetos de massa mais leve são expulsos: um processo conhecido como relaxamento violento.

Mesmo que, se você deixar tudo sozinho, estrelas e remanescentes estelares eventualmente se encontrarem dentro de um objeto como uma galáxia, esse processo garante que, após cerca de 10¹⁷ anos, a maioria dos objetos que poderiam sofrer esses cataclismos, eventualmente, , seria expulso. Enquanto isso, a escala de tempo para esses cataclismos é, em média, milhares de vezes maior do que isso. A maioria dos remanescentes estelares do Universo simplesmente acabará no espaço intergaláctico, separados um do outro pelo Universo em eterna expansão.

Quando duas anãs marrons atualmente em um sistema binário, no futuro distante, 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. Essas fusões ocasionais e os cataclismos que surgem delas serão cada vez mais raros com o passar do tempo. (USUÁRIO TOMA/MOTOR ESPACIAL; E. SIEGEL)

O Universo realmente está no caminho certo, para ser franco, para ficar sem meios de gerar energia. A maioria das estrelas que se formarão já se formaram; a maior parte da energia que será extraída da matéria em todas as suas formas já foi extraída; a maioria das estruturas que se formarão já terminou de se formar; a maioria das chances de vida que o Universo terá já passou por nós. Por quase todas as métricas pelas quais podemos medir o Universo, seus dias de glória estão muito atrás.

E, no entanto, ainda há muito para observar e explorar. Ainda há novas estrelas sendo criadas, e serão por trilhões de anos. A energia ainda está sendo extraída, os processos metabólicos continuam a ocorrer, novos planetas estão se formando e muitas novas chances de mundos com vida surgem mesmo em nosso quintal cósmico a cada novo ano que passa. Mas, a menos que tenhamos entendido algo errado sobre a natureza da energia escura – a menos que evolua ou mude de sinal no futuro – a maior parte do que ocorrerá no Universo já aconteceu. O Universo pode estar morrendo em um sentido metafórico, mas enquanto houver estrelas, gás e galáxias interagindo e evoluindo, ele permanecerá longe de estar morto. Cabe a nós, enquanto estamos aqui, aprender o máximo que pudermos.

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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