gov-civil-vilareal.ptSupernovas anãs negras: as últimas explosões do Universo
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Aqui está um pensamento feliz: O Universo pode terminar em um choramingo e um estrondo. Muita franja.
Cálculos feitos por um astrofísico indicam que em um futuro distante, o Universo terá sextilhões de objetos chamados anãs negras , e que eventualmente eles podem explodir como supernovas . Na verdade, eles podem representar as últimas coisas que o Universo pode fazer.
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Mas isso não vai acontecer por muito tempo. Muito, muito, muito tempo*. Daqui a muito tempo estou tendo dificuldade em descobrir como explicar quanto tempo vai demorar. Eu vou chegar lá - seu cérebro vai ser esmagado por isso, eu prometo - mas precisamos falar um pouco primeiro sobre estrelas, fusão nuclear e matéria.
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Estrelas como o Sol liberam energia como eles fundem átomos de hidrogênio em átomos de hélio em seus núcleos . É muito parecido com a maneira como uma bomba de hidrogênio funciona, mas em uma escala muito maior; o Sol produz aproximadamente a energia equivalente a cem bilhões de bombas de um megaton. Cada segundo .
Eventualmente, o hidrogênio acaba. Muitas coisas complicadas podem acontecer dependendo da massa da estrela, do que há nela e muito mais . Mas para estrelas com até cerca de 8 a 10 vezes a massa do Sol, todas as camadas externas se dissipam, expondo o núcleo ao espaço; um núcleo que se tornou uma bola de material, então as estranhas regras da mecânica quântica comprimida entram em ação. Ainda é feito de núcleos atômicos (como oxigênio, magnésio, néon e outros) e elétrons, mas eles estão abaixo incrível pressões, com os núcleos praticamente se tocando. Chamamos esse material matéria degenerada , e o próprio objeto é chamado de anã branca .
A anã branca mais próxima de nós, Sirius B, tem a massa do Sol, mas o tamanho da Terra. Para efeito de comparação, o Sol é mais de 100 vezes mais largo que a Terra. Crédito: ESA e NASA
Para estrelas como esta, é praticamente o fim do caminho. O tipo de processo de fusão que eles desfrutaram por bilhões de anos - termonuclear fusão, onde (extremamente simplificado) os núcleos atômicos são tão quentes que se chocam e se fundem - não podem mais funcionar. A anã branca nasce muito quente, centenas de milhares de graus Celsius, mas sem uma fonte de calor contínua, ela começa a esfriar.
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Esse processo leva bilhões de anos. As anãs brancas que se formaram no início do Universo agora estão frias o suficiente para ficarem vermelhas, em torno de 4.000 ° C.
Mas o Universo é jovem, apenas cerca de 14 bilhões de anos. Após longos períodos de tempo, essas anãs brancas esfriarão ainda mais. Eventualmente, eles vão esfriar até quase zero absoluto: -273 ° C. Isso levará trilhões de anos, se não quatrilhões . Muito mais tempo do que o Universo já existia.
Mas, nesse ponto, os objetos de matéria degenerada não emitirão nenhuma luz. Eles estarão escuros, é por isso que os chamamos anãs negras .
Então é isso? Apenas anãs negras sentadas lá, congeladas, para sempre?
Obra de arte retratando uma anã negra em um futuro longínquo; uma estrela morta que já foi como o sol. Isso é um tanto fantasioso; quando as anãs negras existirem, todas as estrelas do Universo também deverão estar mortas. Crédito: Baperookamo / Wikimedia Commons / Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International
Bem, talvez não, e é aí que as coisas começam a ficar estranhas (sim, eu sei, eles já são estranhos, mas espere alguns parágrafos). Atualmente, os físicos pensam que os prótons, uma das partículas subatômicas mais básicas, pode decair espontaneamente . Em média, isso leva muito tempo. Evidências experimentais mostraram que a meia-vida do próton pode ser de pelo menos 103. 4anos. Isso é um trilhão trilhão vezes mais do que a idade atual do Universo.
Se for verdade, isso significa que os prótons dentro dos núcleos atômicos das anãs negras irão decair. Se o fizerem, depois de algum tempo, 1035ou mais anos, as anãs negras irão ... evaporar. Puf. Se foi. Nesse ponto, tudo o que restará será ainda mais denso estrelas de nêutrons e buracos negros .
Arte representando o campo magnético em torno de uma estrela de nêutrons. Crédito: Casey Reed / Penn State University
Mas o decaimento do próton, embora previsto pela teoria atual das partículas, ainda não foi observado. E se prótons não decair? O que acontece com as anãs negras então?
É aí que entra este novo papel . Acontece que existem outros efeitos da mecânica quântica que se tornam importantes, como tunelamento . Os núcleos atômicos são carregados com prótons, que têm uma carga positiva, de modo que os núcleos se repelem. Mas eles estão muito próximos no centro da anã negra. A mecânica quântica diz que as partículas podem saltar repentinamente no espaço distâncias muito pequenas (essa é a parte do túnel e, claro, é muito mais complicado do que minha sinopse abertamente simples aqui), e se um núcleo pular perto o suficiente de outro, kablam! Eles se fundem, formam um núcleo de elemento mais pesado e liberam energia.
Isso é diferente da fusão termonuclear, que precisa de muito calor. Este tipo não precisa de calor, mas realmente precisa de alta densidade, por isso é chamado picnonuclear fusão orgulhosamente em grego antigo significa denso )
Com o tempo, os núcleos dentro da anã negra se fundem, muito lentamente. O calor liberado é mínimo, mas o efeito geral é que eles ficam ainda mais densos. Além disso, como nas estrelas normais, os núcleos que se fundem criam núcleos mais pesados, até o ferro.
Isso é um problema . Os efeitos que mantêm a estrela contra sua própria gravidade intensa são a pressão de degeneração entre os elétrons. Quando você tenta fundir o ferro, ele consome elétrons. Se ferro suficiente se funde, os elétrons vão embora, o suporte para o objeto vai com ele e ele entra em colapso.
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Obra de arte de uma hipernova de colapso do núcleo, uma super-supernova. Crédito: NASA / Dana Berry / Skyworks Digital
Isso também acontece com estrelas normais. Eles têm que ser bastante massivos, mais de 8 a 10 vezes a massa do Sol (então o núcleo tem pelo menos 1,5 ou mais vezes a massa do Sol). Mas para estrelas como essas, o núcleo entra em colapso repentino, os núcleos se chocam e formam uma bola de nêutrons, o que chamamos de Estrêla de Neutróns . Isso também libera um muito de energia, criando uma supernova.
Isso vai acontecer com as anãs negras também! Quando ferro suficiente se acumula, eles também entram em colapso e explodem, deixando para trás uma estrela de nêutrons.
Mas a fusão picnonuclear é um processo dolorosamente lento. Quanto tempo isso vai demorar antes do colapso repentino e kablooie?
Sim, prometi antes que explicaria esse número. Para as anãs negras de maior massa, que entrarão em colapso primeiro, a quantidade média de tempo que leva é, bem, 101.100anos .
Isso é 10 elevado à 1.100ª potência. Escrito, é um 1 seguido por onze cem zeros.
Eu ... eu não tenho nenhuma analogia de quanto tempo isso é. É um número muito grande para ter qualquer tipo de significado racional para os patéticos globos de carne ou crânios.
Quer dizer, sério, aqui está escrito:
Quer dizer, vamos. 10 ^ 1100ª potência escrita. Crédito: Phil Plait
Aquilo é um muito de zeros. Sinta-se à vontade para verificar se acertei o número.
Tentei dividi-lo em unidades menores que façam sentido, mas vamos lá. Um dos maiores números que nomeamos é um googol , que é 10100, um seguido por 100 zeros.
O número acima é um googolonze, um googol à 11ª potência.
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E essas são as anãs negras que vão primeiro . Os de menor massa demoram muito mais.
Quanto mais? Não estou muito feliz por você ter perguntado. Eles entram em colapso após cerca de 1032.000anos.
Isso não é um erro de digitação. É dez elevado a trinta e dois milésimos de potência. Um com 32.000 zeros depois disso .
OK então.
Notarei que isso é para estrelas que começam com uma massa maior do que o sol. Estrelas como a nossa não têm massa suficiente para fazer a fusão picnonuclear funcionar - elas não têm massa suficiente para comprimir o núcleo na densidade necessária para isso - então, quando se transformam em anãs negras, é isso. Depois disso, nada.
Assumindo que os prótons não decaem, observarei novamente. Provavelmente sim, então talvez tudo isso seja apenas brincar com a física, sem um resultado real que possamos ver (não que estejamos por aí de qualquer maneira). Ou talvez estejamos errados sobre os prótons e, naquele futuro inimaginavelmente distante, o Universo consistirá em estrelas de nêutrons, buracos negros, anãs negras de baixa massa como o Sol e algo como um sextililhão de anãs negras que um dia entrará em colapso e explodirá.
Uma simulação de como seria um buraco negro com um disco de gás girando em torno dele, dados os efeitos bizarros de sua forte gravidade sobre a luz do disco. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA / Jeremy Schnittman
Buracos negros, notarei, evapore também , e o último desses deve sair em menos de um ano googol. Nesse caso, as supernovas anãs negras podem ser os últimos eventos energéticos que o Universo pode reunir. Depois disso, nada. Morte por calor. Frio infinito por tempo infinito.
Oh, ei, fica pior. O Universo está se expandindo, mas a parte dele que podemos ver, o observável Universo, está realmente encolhendo. Isso tem a ver com a energia escura e a expansão acelerada do Universo, que expliquei em outro lugar . Mas quando as anãs negras começarem a explodir, o Universo que podemos ver terá diminuído para o tamanho de nossa própria galáxia. Bem, o que restou até então. As probabilidades são de que as anãs negras estejam tão espalhadas que não haverá nem mesmo uma em nosso quadro observável.
Isso é um roubo. Você pensaria que esperar tanto tempo teria alguma recompensa.
Então, por que seguir em frente para calcular tudo isso? Na verdade, acho que é uma boa ideia. Por um lado, a ciência nunca é perdida. É possível que tudo esteja certo.
Além disso, o ato de fazer o cálculo pode produzir resultados colaterais interessantes, coisas que têm implicações para o aqui-e-agora que podem ser observáveis (como o decaimento dos prótons). Pode haver algum benefício tangível.
Mas, na verdade, para meu dinheiro, esse ato de imaginação espetacular é a essência da ciência. Ultrapassar limites! Ultrapasse os limites! Pergunte: 'O que vem a seguir? O que acontece depois? ' Isso expande nossas fronteiras, repele nossas limitações e libera o cérebro - dentro dos limites da física e da matemática conhecidas - para buscar caminhos que de outra forma não seriam descobertos.
Buscar a verdade pode ser um caminho difícil, mas leva ao entendimento, e há beleza nisso.
* Isso leva a um artigo escrito por meu colega do SYFY WIRE, Jeff Spry, sobre esse tópico, quando ele foi publicado há algum tempo. Ele dá um bom resumo, mas depois de ler o jornal, eu queria fazer um mergulho mais profundo. E, para ser honesto, eu poderia escrever um artigo três vezes mais longo sobre esse assunto. Há muita coisa acontecendo aqui.
