🌉 👷🏼 👩🏿 Fragen Sie Ethan Nr. 98: Wann gehen die Sterne aus? 🖖🏾 🏂🏻 😩

Jede Woche senden Sie Fragen und Vorschläge an meine Sektion, und diese Woche gab es viele hervorragende Kandidaten, aber ich habe die kürzeste und süßeste Frage gewählt, aber auch die tiefste. Steve fragt ihn:

Wie lange dauert es, bis sich die Sterne abgekühlt haben, nachdem sie ihren Kernbrennstoff verbraucht haben? Werden wir schwarze Zwerge haben? Existieren sie heute?

Beginnen wir das Gespräch mit dem Leben der Sterne und gehen es bis zum Ende durch, um diesen Moment im Detail zu studieren.

Wenn Wolken molekularen Gases unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammenbrechen, sind Regionen immer etwas dichter als andere. Jeder Teil des Raumes, in dem es Materie gibt, versucht immer mehr Materie anzuziehen, aber diese überdichten Regionen ziehen Materie mehr an als andere.

Da der Gravitationskollaps ein schneller und unkontrollierter Prozess ist, wird zusätzliche Materie umso schneller angezogen, je mehr Materie Sie anziehen. Obwohl es Millionen und Abermillionen von Jahren dauern kann, bis eine große und offene Wolke zu einem dichten Objekt wird, dauert der Übergang von einem einfachen kollabierten Zustand eines dichten Gases zu einem neuen Sternhaufen, in dem die dichtesten Regionen Synthesereaktionen in ihrem Darm auslösen, nur einige hunderttausend Jahre alt.

In einem neuen Sternhaufen sind die hellsten Sterne am einfachsten zu erkennen, die am massereichsten sind. Dies sind die hellsten, blauesten und heißesten der existierenden Sterne, ihre Masse ist hunderte Male größer als die Masse der Sonne und die Helligkeit beträgt Millionen. Aber trotz der Tatsache, dass dies die bekanntesten Sterne sind, sind sie auch die seltensten und machen viel weniger als 1% aller bekannten aus. Sie sind auch die am schnellsten lebenden Sterne, da sie in nur 1-2 Millionen Jahren den gesamten Kernbrennstoff verbrennen.

Wenn der Treibstoff dieser hellsten Sterne ausgeht, sterben sie bei einer atemberaubenden Supernova-Explosion vom Typ II. In diesem Moment kollabiert der innere Kern zu einem Neutronenstern (bei kleinen Massenkernen) oder sogar zu einem Schwarzen Loch (bei massiven Kernen), und die äußeren Schichten werden in das interstellare Medium ausgestoßen. Die dort angereicherten Gase werden die nächste Generation von Sternen erzeugen und diese mit schweren Elementen versorgen, um felsige Planeten, organische Moleküle und in sehr seltenen und wunderbaren Fällen Leben zu erzeugen.

Schwarze Löcher werden per Definition sofort schwarz. Sie werden so fast augenblicklich, mit Ausnahme der sie umgebenden Akkretionsscheiben und der Hawking-Niedertemperaturstrahlung.

Aber Neutronensterne sind ein ganz anderes Kaliko.

Ein Neutronenstern sammelt die gesamte Energie im Kern des Sterns und kollabiert extrem schnell. Wenn Sie etwas sehr schnell komprimieren, steigt seine Temperatur - so funktioniert der Kolben in einem Dieselmotor. Der Zusammenbruch des Kerns eines Sterns zu einem Neutronenstern ist wahrscheinlich das ultimative Beispiel für eine schnelle Komprimierung. In wenigen Sekunden oder Minuten wird ein Kern aus Eisen, Nickel, Kobalt, Silizium und Schwefel mit einem Durchmesser von vielen hunderttausenden Kilometern zu einer Kugel zusammengedrückt, die nicht größer als 16 km ist. Seine Dichte erhöht sich um das Billiardenfache um 10 ¹⁵ und die Temperatur steigt in der Mitte auf 10 ¹² K und an der Oberfläche auf 10 ⁶ K.

Und hier tritt das Problem auf.

All diese Energie wird in einem kollabierten Stern gespeichert und seine Oberfläche ist so heiß, dass der Stern nicht nur im sichtbaren Teil des Spektrums mit hellblauem Licht leuchtet, sondern auch im unsichtbaren Röntgenbereich (nicht einmal im ultravioletten Bereich) emittiert! Dieses Objekt enthält eine verrückte Menge an Energie, aber es kann sie nur durch eine sehr kleine Oberfläche ins Universum abgeben.

Die Frage ist, wie lange es dauert, bis ein Neutronenstern abgekühlt ist. Die Antwort hängt von dem Teil der Physik der Neutronensterne ab, der in der Praxis nicht sehr untersucht ist: der Abkühlung von Neutrinos! Sie sehen, wenn Photonen (Strahlung) von gewöhnlicher baryonischer Materie gut absorbiert werden, können Neutrinos einen Neutronenstern frei passieren. Im schnellsten Fall können sich Neutronensterne in 10 ¹⁶ abkühlen und vor dem sichtbaren Teil des Spektrums versteckenJahre, das heißt "nur" in einer Zeit, die millionenfach so alt ist wie das Universum. Aber in langsamen Fällen kann es 10 ²⁰ bis 10 ²² Jahre dauern - das heißt, Sie müssen etwas warten.

Aber es gibt andere Sterne, die schneller schwarz werden.

Die meisten Sterne - 99% mit einem Schwanz - werden nicht zu Supernovae, und am Ende ihres Lebens schrumpfen sie langsam zu weißen Zwergen. Langsam geschieht dies nur im Vergleich zu Supernovae: Es dauert Zehntausende von Jahren und nicht Sekunden und Minuten, aber es ist immer noch schnell genug, um die gesamte Wärme des Sternkerns zu speichern. Der Unterschied besteht darin, dass die Wärme nicht in einer Kugel mit einem Durchmesser von 16 km abgeschlossen wird, sondern in einem Objekt von der Größe "nur" mit der Erde eingeschlossen ist, das heißt tausendmal größer.

Dies bedeutet, dass die Temperaturen der Weißen Zwerge zwar hoch sein können - mehr als 20.000 K, dh dreimal höher als die der Sonne -, aber viel schneller abkühlen als die der Neutronensterne.

Die Neutrinoemission für weiße Zwerge ist vernachlässigbar, dh die Hauptstrahlung kommt von der Oberfläche. Bei der Berechnung, wie schnell Wärme durch Strahlung aus dem Körper austreten kann, stellt sich heraus, dass sich weiße Zwerge (wie sie von der Sonne stammen) in etwa 10 ¹⁴ - 10 ¹⁵ Jahren abkühlen . Diese Zeit wird für das Abkühlen auf einige Grad über dem absoluten Nullpunkt aufgewendet.

Dies bedeutet, dass nach etwa 10 Billionen Jahren oder „nur“ 1000-mal länger als das aktuelle Alter des Universums die Oberflächentemperatur des Weißen Zwergs sinkt, so dass er nicht mehr sichtbar ist. Nach dieser Zeit erscheinen im Universum völlig neue Objekte: schwarze Zwerge.

Du musst dich also enttäuschen, Steve, schwarze Zwerge gibt es heute nicht mehr. Das Universum ist zu jung für sie. Die kältesten weißen Zwerge haben nach unseren Berechnungen nicht mehr als 0,2% aller Energie verloren, seit sie zum ersten Mal im Universum erschienen sind. Das heißt, für einen Weißen Zwerg mit einer Temperatur von 20.000 K bedeutet dies, dass seine Temperatur auf 19.960 K gesunken ist und er immer noch sehr weit von einem dunklen Stern entfernt ist.

Es ist lustig, wie wir uns unser Universum mit leuchtenden Sternen vorstellen, die in Galaxien zusammengesetzt sind, die durch weite Räume getrennt sind. Wenn der erste schwarze Zwerg erscheint, wird unsere Gruppe von Galaxien zu einer einzigen, Milkdromeda, verschmelzen. Die meisten Sterne, die jemals auftauchen werden, haben bereits ihre eigenen ausgebrannt, und die übrigen werden die kleinste Masse haben und die roteste und langweiligste von allen sein.

Außerdem verlassen alle anderen Galaxien dank dunkler Energie unsere Reichweite. Die Existenzwahrscheinlichkeit des Lebens wird äußerst gering sein, und Sterne werden zusammen mit Sternenkörper aufgrund von Gravitationseinflüssen schneller aus der Galaxie fliegen als neue.

Und vor diesem Hintergrund erscheinen jedoch zum ersten Mal seit langer Zeit neue Objekte. Und obwohl wir ein solches Objekt niemals sehen und wahrnehmen können, wissen wir genug über die Natur, um nicht nur zu wissen, dass sie existieren werden, sondern auch darüber, wie und wann sie erscheinen werden. Und an sich ist dies eine der erstaunlichsten Eigenschaften der Wissenschaft!

Fragen Sie Ethan Nr. 98: Wann gehen die Sterne aus?

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