اسأل إيثان رقم 98: متى ستخرج النجوم؟

في كل أسبوع ترسل أسئلة واقتراحات إلى القسم الخاص بي ، وكان هناك العديد من المرشحين الممتازين هذا الأسبوع ، لكنني اخترت أقصر وأحل سؤال ، ولكن أيضًا أعمق سؤال. يسأله ستيف:

كم من الوقت تستغرق النجوم لتهدأ بعد أن تستهلك وقودها النووي؟ هل سيكون لدينا أقزام سوداء؟ هل هم موجودون اليوم؟

دعونا نبدأ المحادثة مع حياة النجوم وننتقل حتى النهاية لدراسة هذه اللحظة بالتفصيل.



عندما تنهار غيوم الغاز الجزيئي تحت تأثير الجاذبية ، تكون المناطق دائمًا أكثر كثافة من غيرها. يحاول كل جزء من الفضاء حيث توجد مادة جذب المزيد والمزيد من المواد ، لكن هذه المناطق فائقة الكثافة تجذب المادة أكثر من غيرها.

بما أن انهيار الجاذبية هو عملية سريعة وغير خاضعة للرقابة ، فكلما جذبت المزيد من المواد ، زادت سرعة جذب المواد الإضافية. على الرغم من أن سحابة كبيرة ومفتوحة يمكن أن تستغرق ملايين وعشرات الملايين من السنين لتصبح جسمًا كثيفًا ، فإن عملية الانتقال من حالة انهيار بسيطة من الغاز الكثيفة إلى كتلة نجمية جديدة - حيث تشتعل المناطق الأكثر كثافة تفاعلات التوليف في أحشاءها - تستغرق عدة مئات الآلاف فقط سنة.



في مجموعة النجوم الجديدة ، من الأسهل ملاحظة النجوم الأكثر سطوعًا ، والتي ستكون أكبر كتلة. هذه هي ألمع النجوم وأكثرها سطوعًا وازدهارًا ، وكتلتها أكبر مئات المرات من كتلة الشمس ، والسطوع هو الملايين. ولكن على الرغم من حقيقة أن هذه النجوم هي الأبرز ، فهي أيضًا أندر ، وتشكل أقل بكثير من 1 ٪ من جميع النجوم المعروفة. هم أيضًا أسرع النجوم عمراً ، حيث أنهم يحرقون كل الوقود النووي في 1-2 مليون سنة فقط.



عندما ينفد وقود هذه النجوم اللامعة ، يموتون في انفجار مذهل من المستعر الأعظم من النوع الثاني. في هذه اللحظة ، ينهار النواة الداخلية إلى نجم نيوتروني (في حالة نوى الكتلة الصغيرة) أو حتى إلى ثقب أسود (للنوى الضخمة) ، ويتم إخراج الطبقات الخارجية في الوسط النجمي. سوف تخلق الغازات المخصبة هناك الجيل القادم من النجوم ، وتزويد هؤلاء بالعناصر الثقيلة لإنشاء الكواكب الصخرية والجزيئات العضوية ، وفي حالات نادرة ورائعة للغاية.



الثقوب السوداء ، بحكم تعريفها ، تتحول على الفور إلى اللون الأسود. تصبح على الفور تقريبًا ، باستثناء أقراص التراكم المحيطة بها وإشعاع درجة حرارة منخفضة من Hawking.

لكن النجوم النيوترونية هي كاليكو مختلفة تمامًا.



يجمع النجم النيوتروني كل الطاقة في قلب النجم وينهار بسرعة كبيرة. إذا ضغطت شيئًا سريعًا جدًا ، فسترتفع درجة حرارته - هكذا تعمل المكبس في محرك ديزل. ربما يكون انهيار قلب النجم إلى نجم نيوتروني هو المثال النهائي للضغط السريع. في بضع ثوانٍ أو دقائق ، يتم ضغط قلب من الحديد والنيكل والكوبالت والسيليكون والكبريت بقطر مئات الآلاف من الكيلومترات إلى كرة لا يزيد حجمها عن 16 كم. تزداد كثافته كوادريليون مرة ، بمقدار 10 ¹⁵ ، وترتفع درجة الحرارة إلى 10 ¹² كلفن في المركز وإلى 10 ⁶ كلفن على السطح.

وهنا تظهر المشكلة.



يتم تخزين كل هذه الطاقة في نجم منهار ، وسطحه ساخن للغاية بحيث لا يتوهج النجم فقط بالضوء الأزرق الفاتح في الجزء المرئي من الطيف ، ولكن أيضًا ينبعث في نطاق الأشعة السينية غير المرئي (ولا حتى الأشعة فوق البنفسجية)! يحتوي هذا الجسم على كمية مجنونة من الطاقة ، ولكن يمكنه إطلاقه في الكون فقط من خلال سطح صغير جدًا.

السؤال هو كم من الوقت يستغرق النجم النيوتروني ليبرد؟ تعتمد الإجابة على ذلك الجزء من فيزياء النجوم النيوترونية ، وهو ما لم يتم دراسته عمليًا: تبريد النيوترينوات! ترى ، إذا تم امتصاص الفوتونات (الإشعاع) بشكل جيد بواسطة المادة الباريونية العادية ، يمكن للنيوترينوات أن تمر بحرية عبر نجم نيوتروني. في أسرع الحالات ، يمكن للنجوم النيوترونية أن تبرد وتختفي من الجزء المرئي من الطيف في 10 ¹⁶سنوات ، أي "فقط" في وقت مليون مرة من عمر الكون. ولكن في الحالات البطيئة ، يمكن أن يستغرق الأمر من 10 ²⁰ إلى 10 ²² سنة - أي ، عليك الانتظار قليلاً.

لكن هناك نجوم أخرى تتحول إلى اللون الأسود بشكل أسرع.



معظم النجوم - 99٪ ذات الذيل - لا تصبح مستعرات أعظم ، وفي نهاية الحياة تتقلص ببطء إلى الأقزام البيضاء. ببطء يحدث هذا فقط بالمقارنة مع المستعرات الأعظمية: يستغرق عشرات ومئات الآلاف من السنين ، وليس الثواني والدقائق ، ولكنه لا يزال سريعًا بما يكفي لحفظ كل حرارة قلب النجم. الفرق هو أنه بدلاً من استنتاجها في كرة بقطر 16 كم ، يتم وضع الحرارة في جسم بحجم "فقط" مع الأرض ، أي أكبر ألف مرة.

, – 20 000 , , , – .



, . , , , (, ), 10¹⁴ — 10¹⁵ . .

هذا يعني أنه بعد حوالي 10 تريليون سنة ، أو "فقط" أطول 1000 مرة من العمر الحالي للكون ، ستنخفض درجة حرارة سطح القزم الأبيض بحيث يتوقف عن الظهور. بعد هذا الوقت ، ستظهر أشياء جديدة تمامًا في الكون: الأقزام السوداء.



لذا عليك أن تخيب ظنك يا الأقزام الأسود لا وجود لهم اليوم. الكون صغير جدا بالنسبة لهم. وفقًا لتقديراتنا ، فإن الأقزام البيضاء الأكثر برودة قد فقدت ما لا يزيد عن 0.2٪ من إجمالي الطاقة منذ ظهور أولها في الكون. أي ، بالنسبة إلى قزم أبيض بدرجة حرارة 20000 كلفن ، فإن هذا يعني أن درجة حرارته انخفضت إلى 1960 كلفن ، ولا يزال بعيدًا جدًا عن نجم مظلم.

من المضحك كيف نتخيل كوننا مليئ بالنجوم المضيئة ، التي تم تجميعها معًا في مجرات مفصولة بمساحات شاسعة. في الوقت الذي يظهر فيه أول قزم أسود ، ستندمج مجموعتنا من المجرات في واحدة واحدة ، Milkdromeda ، معظم النجوم التي ستظهر على الإطلاق قد أحرقت بالفعل ، والباقي سيكون لها أصغر كتلة ، وستكون الأكثر حمراء ومملة على الإطلاق.



بالإضافة إلى ذلك ، ستترك جميع المجرات الأخرى متناولنا ، بفضل الطاقة المظلمة. ستكون فرص وجود الحياة صغيرة للغاية ، وستبدأ النجوم ، جنبًا إلى جنب مع جثث النجوم ، في الطيران خارج المجرة بسبب التأثيرات الجاذبية أسرع من تلك الجديدة.

وعلى هذه الخلفية ، ومع ذلك ، لأول مرة منذ فترة طويلة ، ستظهر كائنات جديدة. وعلى الرغم من أننا لن نتمكن أبدًا من رؤية وإدراك مثل هذا الشيء ، إلا أننا نعرف ما يكفي عن الطبيعة من أجل معرفة ليس فقط أنها ستكون موجودة ، ولكن أيضًا حول كيفية ظهورها ومتى. وهي بحد ذاتها واحدة من أروع خصائص العلم!