gov-civil-vilareal.ptСвръхнови черни джуджета: Последните експлозии във Вселената
>Ето една щастлива мисъл: Вселената може да завърши с хленч и взрив. Много бретон.
Изчисления, направени от астрофизик показват, че в далечното бъдеще Вселената ще има секстилиони обекти, наречени черни джуджета , и че в крайна сметка те могат да експлодират като свръхнови . Всъщност те могат да представляват последните неща, които Вселената може да направи.
Но това няма да се случи дълго време. Много, много, много дълго време*. Толкова отдавна имам затруднения да разбера как да обясня колко време ще отнеме. Ще стигна до него - мозъкът ви ще бъде смазан от това, обещавам - но първо трябва да поговорим малко за звездите, ядрения синтез и материята.
Звезди като Слънцето освобождават енергия тъй като те сливат водородни атоми в хелиеви атоми в своите ядра . Много прилича на начина, по който работи водородната бомба, но в много по -голям мащаб; Слънцето извежда около еквивалентната енергия на сто милиарда едномегатонни бомби. Всеки второ .
В крайна сметка водородът изтича. Тогава могат да се случат много сложни неща в зависимост от това колко масивна е звездата, какво има в нея и др . Но за звезди с около 8 - 10 пъти масата на Слънцето всички външни слоеве се издухват, излагайки ядрото на космоса; ядро, което се е превърнало в кълбо от материал, така че влизат в действие компресирани странни правила за квантовата механика. Той все още се състои от атомни ядра (като кислород, магнезий, неон и други такива) и електрони, но те са под невероятен налягане, като ядрата практически се допират. Ние наричаме такъв материал дегенерирана материя , и самият обект се нарича бяло джудже .
Най -близкото бяло джудже до нас, Сириус В, има масата на Слънцето, но размера на Земята. За сравнение, Слънцето е над 100 пъти по -широко от Земята. Кредит: ESA и НАСА
За звезди като тази това е почти краят на пътя. Видът на процеса на синтез, на който се радват милиарди години - термоядрен синтез, където (изключително опростено) атомните ядра са толкова горещи, че се блъскат едно в друго и се сливат - не могат да работят повече. Бялото джудже се ражда много горещо, стотици хиляди градуси по Целзий, но без постоянен източник на топлина започва да се охлажда.
Този процес отнема милиарди години. Белите джуджета, които се образуват в ранната Вселена, сега са достатъчно хладни, за да се нагреят до около 4000 ° C.
Но Вселената е млада, само на около 14 милиарда години. За много дълги периоди от време тези бели джуджета ще се охлаждат допълнително. В крайна сметка те ще се охладят чак до абсолютната нула: -273 ° C. Ако не, това ще отнеме трилиони години квадрилиони . Много по -дълго, отколкото Вселената вече съществува.
Но в този момент изродените материални обекти няма да излъчват светлина. Те ще бъдат тъмни, затова ги наричаме черни джуджета .
Значи това е? Само черни джуджета седят там, замръзнали, завинаги?
Произведения на изкуството, изобразяващи черно джудже в далечното бъдеще; мъртва звезда, която някога е била като Слънцето. Това е донякъде фантастично; когато черните джуджета съществуват, всички звезди във Вселената също трябва да са мъртви. Кредит: Baperookamo / Wikimedia Commons / Creative Commons Признание-Споделяне на подобно 4.0 International
Е, може би не, и тук нещата започват да стават странни (да, знам, те вече са странни, но просто изчакайте няколко абзаца). Понастоящем физиците смятат, че протоните, една от най -основните субатомни частици, може да се разпадне спонтанно . Средно това отнема много време. Експерименталните доказателства показват, че полуживотът на протоните може да бъде най-малко 103. 4години. Това е трилион трилион пъти по -дълго от сегашната възраст на Вселената.
Ако е вярно, това означава, че протоните вътре в атомните ядра в черните джуджета ще се разпаднат. Ако го направят, след известно време 1035или повече години, черните джуджета ще ... се изпарят. Пуф. Си отиде. В този момент всичко, което ще остане, е още по -плътно неутронни звезди и черни дупки .
Произведение, изобразяващо магнитното поле, обграждащо неутронна звезда. Кредит: Кейси Рийд / Държавен университет Пен
Но разпадането на протони, макар и предсказано от настоящата теория за частиците, все още не е наблюдавано. Ами ако протоните недей разпад? Какво се случва с черните джуджета тогава?
Това е мястото, където този нов документ идва . Оказва се, че има и други ефекти на квантовата механика, които стават важни, например тунелиране . Атомните ядра са заредени с протони, които имат положителен заряд, така че ядрата се отблъскват взаимно. Но те са много близо един до друг в центъра на черното джудже. Квантовата механика казва, че частиците могат внезапно да скочат в пространството на много малки разстояния (това е тунелната част и разбира се много по -сложно е от моя прекалено прост конспект тук) и ако едно ядро скочи достатъчно близо до друго, каблам! Те се сливат, образуват ядро с по -тежък елемент и отделят енергия.
Това е различно от термоядрения синтез, който се нуждае от много топлина. Този вид изобщо не се нуждае от топлина, но се нуждае от наистина висока плътност, така че се нарича пикноядрен синтез ( гордо на старогръцки означава плътна ).
С течение на времето ядрата вътре в черното джудже се сливат, много много бавно. Освободената топлина е минимална, но общият ефект е, че те стават още по -плътни. Също така, както при нормалните звезди, ядрата, които се сливат, създават по -тежки ядра, до желязото.
Това е проблем . Ефектите, които поддържат звездата срещу нейната собствена интензивна гравитация, е налягането на дегенерация между електроните. Когато се опитвате да запалите желязото, той изяжда електроните. Ако достатъчно желязо запали, електроните изчезват, опората за обекта отива с него и той се срутва.
Произведение на хипернова с ядрен срив, супер-свръхнова. Кредит: НАСА/Дана Бери/Skyworks Digital
Това се случва и с нормалните звезди. Те трябва да са доста масивни, повече от 8-10 пъти по -големи от масата на Слънцето (така че ядрото е поне 1,5 или повече пъти по -голямо от масата на Слънцето). Но за звезди като тези ядрото внезапно се срутва, ядрата се разбиват и образуват топка неутрони, което наричаме неутронна звезда . Това също освобождава a много енергия, създавайки свръхнова.
Това ще се случи и с черните джуджета! Когато се натрупа достатъчно желязо, те също ще се срутят и експлодират, оставяйки след себе си неутронна звезда.
Но пикноядреното сливане е мъчително бавен процес. Колко време ще отнеме преди внезапния срив и каблуи?
Да, обещах по -рано, че ще обясня този номер. За най -масовите черни джуджета, които първо ще се срутят, средното време, което отнема, е, добре, 101100години .
Това е 10 към 1100 -та степен. Записано, това е 1, последвано от единадесетстотни нули.
Аз… нямам никакви аналогии за колко време е това. Това е твърде голям брой, за да има дори някакъв рационален смисъл за жалките кълба от месо или черепи.
Искам да кажа, сериозно, тук е написано:
Искам да кажа, хайде. Изписана 10^1100 -та мощност. Кредит: Фил Плейт
Това е много от нули. Чувствайте се свободни да се уверите, че съм взел правилния номер.
Опитах се да го разделя на по -малки единици, които имат смисъл, но хайде. Един от най -големите числа, които посочихме, е a googol , което е 10100, единица, последвана от 100 нули.
Горното число е googolединадесет, googol до 11 -та степен.
И това са черните джуджета първо . Тези с най -ниска маса отнемат много повече време.
Още колко време? Не съм много щастлив, че попитахте. Те се сриват след около 1032 000години.
Това не е правописна грешка. Това е десет до тридесет и две хилядната степен. Единствен с 32 000 нули след него .
Добре тогава.
Ще отбележа, че това е за звезди, които започват по -масивно от Слънцето. Звезди като нашата не са достатъчно масивни, за да започнат пикноядрения синтез - те нямат достатъчно маса, за да притиснат ядрото в необходимата за него плътност - така че когато се превърнат в черни джуджета, това е почти всичко. След това нищо.
Ако приемем, че протоните не се разпадат, ще отбележа отново. Вероятно го правят, така че може би всичко това е просто игра с физика без действителен резултат, който можем да видим (не че така или иначе ще сме наблизо). Или може би грешим по отношение на протоните и в това невъобразимо далечно бъдеще Вселената ще се състои от неутронни звезди, черни дупки, черни джуджета с ниска маса като Слънцето и нещо като сексилионни черни джуджета, които един ден ще се срутят и избухнат.
защо марсианецът е оценен като pg-13
Симулация на това как би изглеждала черна дупка с въртящ се около нея газов диск, предвид странните ефекти на яростната й гравитация върху светлината от диска. Кредит: Центърът за космически полети на Годард на НАСА/Джереми Шнитман
Ще отбележа черните дупки, изпарява се също , а последният от тях трябва да мине след по -малко от гугъл години. Ако е така, тогава свръхновите черни джуджета може да са последните енергийни събития, които Вселената може да събере. След това нищо. Топлинна смърт. Безкраен студ за безкрайно време.
О, хей, става все по -зле. Вселената се разширява, но частта от нея, която можем да видим, наблюдаем Вселената всъщност се свива. Това е свързано с тъмната енергия и ускореното разширяване на Вселената, което обясних на друго място . Но докато черните джуджета започнат да експлодират, Вселената, която виждаме, ще се свие до размерите на нашата собствена галактика. Е, какво остава от тогава. Коефициентите са, че черните джуджета ще бъдат разпръснати толкова много дотогава, че дори няма да има такова в нашата видима рамка.
Това е измама. Човек би си помислил, че чакането толкова дълго ще има някакъв резултат.
Така че защо да преминете през движенията, за да изчислите всичко това? Всъщност мисля, че това е добра идея. От една страна, науката никога не се прахосва. Възможно е всичко това да е наред.
Също така актът на извършване на изчислението може да даде интересни странични резултати, неща, които имат последици за тук-и-сега, които биха могли да се наблюдават (като разпадането на протони). Може да има някаква осезаема полза.
Но наистина, за моите пари, този акт на грандиозно въображение е същността на науката. Преместете границите! Превишавайте границите! Попитайте: „Какво следва? Какво се случва след това? ' Това разширява границите ни, отблъсква нашите ограничения и освобождава мозъка - в границите на познатата физика и математика - да търси пътища, които иначе са неоткрити.
Търсенето на истината може да бъде труден път, но това води до разбиране и в това има красота.
* Това е връзка към статия, написана от моя колега по SYFY WIRE Джеф Спри по тази тема, когато излезе за първи път преди малко. Той дава добро обобщение на това, но след като прочетох статията, исках да се потопя по -дълбоко. И, честно казано, бих могъл да напиша статия три пъти толкова дълго по тази тема. Тук се случва много.
