Quando a primeira estrela escurecerá?
Esta é a Via Láctea do Campo Concordia, na Cordilheira Karakoram, no Paquistão. Embora muitas das estrelas vistas aqui já tenham morrido, seus remanescentes estelares continuam a brilhar. Crédito da imagem: Anne Dirkse / http://www.annedirkse.com.
Ainda não aconteceu em todo o Universo, nem mesmo uma vez.
Fim? Não, a jornada não termina aqui. A morte é apenas mais um caminho, um que todos devemos seguir. A cortina de chuva cinzenta deste mundo se abre, e tudo se transforma em vidro prateado, e então você vê. – J.R.R. Tolkien
Desde que a primeira estrela do Universo acendeu cerca de 13,7 bilhões de anos atrás, o Universo foi inundado de luz. Quando matéria suficiente - principalmente hidrogênio e gás hélio - gravita em um único objeto compacto, a fusão nuclear ocorrerá dentro do núcleo, dando origem a uma verdadeira estrela. Mas à medida que o tempo passa e a fusão continua, eventualmente essa estrela ficará sem combustível. Às vezes, a estrela é massiva o suficiente para que ocorram reações de fusão adicionais, mas em algum momento, tudo deve parar. Quando essas estrelas finalmente morrem, no entanto, seus remanescentes brilham. Na verdade, o Universo não existe há tempo suficiente para que um único remanescente pare de brilhar. Aqui está a história de quanto tempo precisaremos esperar até que a primeira estrela escureça.
Tudo começa a partir de uma nuvem de gás. Quando uma nuvem de gás molecular colapsa sob sua própria gravidade, sempre há algumas regiões que começam um pouco mais densas do que outras. Cada local com matéria faz o possível para atrair mais e mais matéria para si, mas essas regiões superdensas atraem matéria com mais eficiência do que todas as outras. 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.
Nuvens moleculares escuras e empoeiradas, como esta dentro da nossa Via Láctea, entrarão em colapso com o tempo e darão origem a novas estrelas, com as regiões mais densas formando as estrelas mais massivas. Crédito da imagem: ESO.
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.
As estrelas vêm em uma enorme variedade de cores, brilhos e massas, todas predestinadas desde o momento do nascimento da estrela. Quando você cria um novo aglomerado de estrelas, as mais fáceis de notar são as mais brilhantes, que também são as mais massivas. Estas são as estrelas mais brilhantes, azuis e quentes que existem, com até centenas de vezes a massa do nosso Sol e com milhões de vezes a luminosidade. Mas, apesar do fato de que essas são as estrelas que parecem mais espetaculares, essas também são as estrelas mais raras, representando muito menos de 1% de todas as estrelas conhecidas, e também as estrelas de vida mais curta, pois queimam em todas as estrelas. o combustível nuclear (em todos os vários estágios) em seus núcleos em menos de 1 a 2 milhões de anos.
Telescópio espacial Hubble dos aglomerados de estrelas em fusão no coração da Nebulosa da Tarântula, a maior região de formação de estrelas conhecida no grupo local. As estrelas mais quentes e azuis têm mais de 200 vezes a massa do nosso Sol. Crédito da imagem: NASA, ESA e E. Sabbi (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 enriquecidos 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.
Quando as estrelas mais massivas morrem, suas camadas externas, enriquecidas com elementos pesados resultantes da fusão nuclear e captura de nêutrons, são lançadas no meio interestelar, onde podem ajudar as futuras gerações de estrelas, fornecendo-lhes os ingredientes brutos para as rochas. planetas e, potencialmente, vida. Crédito da imagem: NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (ASU).
Você não precisa esperar muito para um buraco negro escurecer. Na verdade, por definição, os buracos negros ficam pretos imediatamente. Uma vez que o núcleo colapsa o suficiente para formar um horizonte de eventos, tudo dentro desmorona para uma singularidade em uma fração de segundo. Qualquer calor, luz, temperatura ou energia remanescente em qualquer forma no núcleo simplesmente é convertido na massa da singularidade. Nenhuma luz emanará dele novamente, exceto na forma de radiação Hawking, quando o buraco negro decai, e no disco de acreção ao redor do buraco negro, que é constantemente alimentado e reabastecido da matéria circundante.
Mas as estrelas de nêutrons são uma história diferente.
Formada a partir do remanescente de uma estrela massiva que se tornou supernova, uma estrela de nêutrons é o núcleo colapsado que permanece para trás. 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 cerca de um fator de quatrilhão (10¹⁵), e sua temperatura cresceu tremendamente: para cerca de 10¹² K no núcleo e até cerca de 10⁶ K na superfície. E aqui reside o problema.
Uma estrela de nêutrons é muito pequena e com baixa luminosidade geral, mas é muito quente e leva muito tempo para esfriar. Se seus olhos fossem bons o suficiente, você o veria brilhar milhões de vezes a idade atual do Universo. Crédito da imagem: ESO/L. Calçada.
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 levará para uma estrela de nêutrons 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 10¹⁶ anos, ou apenas um milhão de vezes a idade do Universo. Mas se as coisas forem mais lentas, pode levar de 10²⁰ a 10²² anos, o que significa que você estará esperando por algum tempo.
Quando as estrelas de menor massa, semelhantes ao Sol, ficam sem combustível, elas explodem suas camadas externas em uma nebulosa planetária, mas o centro se contrai para formar uma anã branca, que leva muito tempo para desaparecer na escuridão. Crédito da imagem: NASA/ESA e The Hubble Heritage Team (AURA/STScI).
Mas outras estrelas escurecerão muito mais rapidamente. Veja bem, a grande maioria das estrelas – os outros 99% – 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.
Uma comparação precisa de tamanho/cor de uma anã branca (L), a Terra refletindo a luz do nosso Sol (no meio) e uma anã negra (R). Crédito da imagem: BBC / GCSE (L) / 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 10¹⁴ a 10¹⁵ anos. E isso é para descer até 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. Quando esse tempo passar, o Universo terá um novo tipo de objeto: uma estrela anã negra.
O Universo ainda não tem idade suficiente para que um remanescente estelar tenha esfriado o suficiente para se tornar invisível aos olhos humanos, muito menos para esfriar até apenas alguns graus acima do zero absoluto. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.
Lamento desapontá-lo, mas não há anãs negras por aqui hoje. O Universo é simplesmente muito jovem para isso. De fato, as anãs brancas mais frias, segundo nossas estimativas, perderam menos de 0,2% de seu calor total desde que as primeiras foram criadas 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 uma verdadeira estrela escura.
Atualmente, concebemos nosso Universo como repleto de estrelas, que se agrupam em galáxias, separadas por grandes distâncias. Mas quando a primeira anã negra vier a existir, 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. E além disso? Apenas a escuridão, pois a energia escura há muito afastou todas as outras galáxias, tornando-as inalcançáveis e praticamente imensuráveis por qualquer meio físico.
Levará centenas de trilhões de anos para o primeiro remanescente estelar esfriar completamente, desaparecendo de uma anã branca através de vermelho, infravermelho e até uma verdadeira anã negra. A essa altura, o Universo dificilmente estará formando novas estrelas, e o espaço será principalmente preto. Crédito da imagem: usuário Toma/Space Engine; E. Siegel.
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!
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive !
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