Pregúntele a Ethan No. 98: ¿Cuándo saldrán las estrellas?
Cada semana envían preguntas y sugerencias a mi sección, y esta semana hubo muchos candidatos excelentes, pero elegí la pregunta más corta y dulce, pero también la más profunda. Steve le pregunta:¿Cuánto tiempo tardarán las estrellas en enfriarse después de que consuman su combustible nuclear? ¿Tendremos enanas negras? ¿Existen hoy?
Comencemos la conversación con la vida de las estrellas y analicémosla hasta el final para estudiar este momento en detalle.
Cuando las nubes de gas molecular colapsan bajo la influencia de la gravedad, las regiones son siempre ligeramente más densas que otras. Cada parte del espacio donde hay materia está tratando de atraer más y más materia, pero estas regiones superdensas atraen la materia más que otras.Dado que el colapso gravitacional es un proceso rápido e incontrolado, mientras más materia atraiga, más rápido se atraerá materia adicional. Aunque puede tomar millones y decenas de millones de años para que una nube grande y abierta se convierta en un objeto denso, el proceso de transición de un estado colapsado simple de un gas denso a un nuevo cúmulo estelar, donde las regiones más densas encienden las reacciones de síntesis en sus intestinos, toma solo varios cientos de miles años
En un nuevo cúmulo estelar es más fácil notar las estrellas más brillantes, que serán las más masivas. Estas son las estrellas más brillantes, azules y calientes de las estrellas existentes, su masa es cientos de veces mayor que la masa del Sol y el brillo es de millones. Pero, a pesar del hecho de que estas son las estrellas más prominentes, también son las más raras y representan mucho menos del 1% de todas las conocidas. También son las estrellas de vida más rápida, ya que queman todo el combustible nuclear en solo 1-2 millones de años.
Cuando se agota el combustible de estas estrellas más brillantes, mueren en una impresionante explosión de supernova de tipo II. En este momento, el núcleo interno colapsa a una estrella de neutrones (en el caso de núcleos de masa pequeña) o incluso a un agujero negro (para núcleos masivos), y las capas externas se expulsan al medio interestelar. Los gases enriquecidos allí crearán la próxima generación de estrellas, proporcionando a aquellos elementos pesados para crear planetas rocosos, moléculas orgánicas y, en casos muy raros y maravillosos, la vida.
Los agujeros negros, por definición, inmediatamente se vuelven negros. Se vuelven casi instantáneamente, con la excepción de los discos de acreción que los rodean y la radiación de baja temperatura de Hawking.Pero las estrellas de neutrones son un calicó completamente diferente.
Una estrella de neutrones recoge toda la energía en el núcleo de la estrella y se colapsa extremadamente rápido. Si comprime algo muy rápido, su temperatura aumentará, así es como funciona el pistón en un motor diesel. El colapso del núcleo de una estrella a una estrella de neutrones es probablemente el mejor ejemplo de compresión rápida. En unos pocos segundos o minutos, un núcleo de hierro, níquel, cobalto, silicio y azufre con un diámetro de muchos cientos de miles de kilómetros se comprime en una bola de no más de 16 km. Su densidad aumenta cuatro mil millones de veces, en 10 15 , y la temperatura aumenta a 10 12 K en el centro y a 10 6 K en la superficie.Y aquí aparece el problema.
Toda esta energía se almacena en una estrella colapsada, y su superficie es tan caliente que la estrella no solo brilla con luz azul clara en la parte visible del espectro, sino que también emite en el rango invisible de rayos X (¡ni siquiera ultravioleta)! Este objeto contiene una cantidad loca de energía, pero puede liberarlo al Universo solo a través de una superficie que es muy pequeña.La pregunta es, ¿cuánto tiempo tarda una estrella de neutrones en enfriarse? La respuesta depende de esa parte de la física de las estrellas de neutrones, que en la práctica no está muy estudiada: ¡el enfriamiento de los neutrinos! Verá, si los fotones (radiación) son bien absorbidos por la materia bariónica ordinaria, los neutrinos pueden pasar libremente a través de una estrella de neutrones. En el caso más rápido, las estrellas de neutrones pueden enfriarse y esconderse de la parte visible del espectro en 10 16es decir, "solo" en un tiempo un millón de veces la edad del universo. Pero en casos lentos puede llevar de 10 20 a 10 22 años, es decir, hay que esperar un poco.Pero hay otras estrellas que se vuelven negras más rápido.
La mayoría de las estrellas, 99% con cola, no se convierten en supernovas, y al final de la vida se reducen lentamente a enanas blancas. Lentamente, esto sucede solo en comparación con las supernovas: lleva decenas y cientos de miles de años, y no segundos y minutos, pero sigue siendo lo suficientemente rápido como para ahorrar todo el calor del núcleo de la estrella. La diferencia es que, en lugar de concluirlo en una esfera con un diámetro de 16 km, el calor está encerrado en un objeto del tamaño de "solo" con la Tierra, es decir, mil veces más grande.Esto significa que aunque las temperaturas de las enanas blancas pueden ser grandes, más de 20,000 K, es decir, tres veces más altas que las del Sol, se enfrían mucho más rápido que las estrellas de neutrones.
La emisión de neutrinos para las enanas blancas es insignificante, es decir, la radiación principal proviene de la superficie. Al calcular la rapidez con que el calor puede salir del cuerpo a través de la radiación, resulta que las enanas blancas (como las obtenidas del Sol) se enfriarán en unos 10 14 - 10 15 años. Este tiempo se dedicará a enfriar a varios grados por encima del cero absoluto.Esto significa que después de aproximadamente 10 billones de años, o "solo" 1000 veces más que la edad actual del Universo, la temperatura de la superficie de la enana blanca disminuirá de modo que deje de ser visible. Después de este tiempo, aparecerán objetos completamente nuevos en el Universo: enanas negras.
Así que tienes que decepcionarte, Steve, las enanas negras no existen hoy. El universo es demasiado joven para ellos. Las enanas blancas más frías, según nuestros cálculos, no han perdido más del 0.2% de toda la energía desde que apareció la primera en el Universo. Es decir, para una enana blanca con una temperatura de 20,000 K, esto significa que su temperatura bajó a 19,960 K, y todavía está muy lejos de ser una estrella oscura.Es curioso cómo imaginamos nuestro universo lleno de estrellas luminosas, reunidas en galaxias separadas por vastos espacios. Para cuando aparezca la primera enana negra, nuestro grupo de galaxias se fusionará en una sola, Milkdromeda, la mayoría de las estrellas que aparecerán ya se han quemado, y el resto tendrá la masa más pequeña y será la más roja y opaca de todas.
Además, todas las otras galaxias dejarán nuestro alcance, gracias a la energía oscura. Las posibilidades de existencia de vida serán extremadamente pequeñas, y las estrellas, junto con los cuerpos de las estrellas, comenzarán a salir de la galaxia debido a las influencias gravitacionales más rápido de lo que se formarán nuevas.Y en este contexto, sin embargo, por primera vez en mucho tiempo, aparecerán nuevos objetos. Y aunque nunca podremos ver y percibir tal objeto, sabemos lo suficiente sobre la naturaleza para saber no solo que existirán, sino también sobre cómo y cuándo aparecerán. ¡Y en sí misma, esta es una de las propiedades más sorprendentes de la ciencia! Source: https://habr.com/ru/post/es398473/
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