🍕 📩 🌮 Demandez à Ethan n ° 98: quand les étoiles sortiront-elles? 🔂 🧝🏾 ⚡️

Chaque semaine, vous envoyez des questions et des suggestions à ma section, et cette semaine il y avait beaucoup d'excellents candidats, mais j'ai choisi la question la plus courte et la plus douce, mais aussi la plus profonde. Steve lui demande:

Combien de temps faudra-t-il aux étoiles pour se refroidir après avoir épuisé leur combustible nucléaire? Aurons-nous des nains noirs? Existent-ils aujourd'hui?

Commençons la conversation avec la vie des stars et traversons-la jusqu'au bout pour étudier ce moment en détail.

Lorsque des nuages de gaz moléculaire s'effondrent sous l'influence de la gravité, les régions sont toujours légèrement plus denses que les autres. Chaque partie de l'espace où il y a de la matière essaie d'attirer de plus en plus de matière, mais ces régions superdenses attirent la matière plus que d'autres.

Étant donné que l'effondrement gravitationnel est un processus rapide et incontrôlé, plus vous attirez de matière, plus la matière supplémentaire est attirée rapidement. Bien qu'il puisse falloir des millions et des dizaines de millions d'années pour qu'un gros nuage ouvert devienne un objet dense, le processus de transition d'un simple état effondré d'un gaz dense à un nouvel amas d'étoiles - où les régions les plus denses enflamment les réactions de synthèse dans leurs intestins - ne prend que plusieurs centaines de milliers ans.

Dans un nouvel amas d'étoiles, il est plus facile de remarquer les étoiles les plus brillantes, qui seront les plus massives. Ce sont les étoiles les plus brillantes, les plus bleues et les plus chaudes, leur masse est des centaines de fois supérieure à la masse du Soleil et la luminosité est de millions. Mais, malgré le fait que ce sont les étoiles les plus proéminentes, elles sont aussi les plus rares et représentent bien moins de 1% de toutes les étoiles connues. Ce sont aussi les étoiles qui vivent le plus vite, car elles brûlent tout le combustible nucléaire en seulement 1 à 2 millions d'années.

Lorsque le carburant de ces étoiles les plus brillantes s'épuise, elles meurent dans une étonnante explosion de supernova de type II. À ce moment, le noyau interne s'effondre vers une étoile à neutrons (dans le cas de noyaux de petite masse) ou même vers un trou noir (pour les noyaux massifs), et les couches externes sont éjectées dans le milieu interstellaire. Les gaz enrichis créeront la prochaine génération d'étoiles, fournissant à ceux-ci des éléments lourds pour créer des planètes rocheuses, des molécules organiques et, dans des cas très rares et merveilleux, la vie.

Les trous noirs, par définition, deviennent immédiatement noirs. Ils le deviennent presque instantanément, à l'exception des disques d'accrétion qui les entourent et du rayonnement Hawking à basse température.

Mais les étoiles à neutrons sont un calicot complètement différent.

Une étoile à neutrons recueille toute l'énergie dans le noyau de l'étoile et s'effondre extrêmement rapidement. Si vous compressez quelque chose très rapidement, sa température augmentera - c'est ainsi que le piston fonctionne dans un moteur diesel. L'effondrement du cœur d'une étoile en étoile à neutrons est probablement l'exemple ultime de compression rapide. En quelques secondes ou minutes, un noyau de fer, de nickel, de cobalt, de silicium et de soufre d'un diamètre de plusieurs centaines de milliers de kilomètres est comprimé en une boule ne dépassant pas 16 km. Sa densité augmente de quadrillions de fois, de 10 ¹⁵ , et la température monte à 10 ¹² K au centre et à 10 ⁶ K en surface.

Et ici, le problème apparaît.

Toute cette énergie est stockée dans une étoile effondrée, et sa surface est si chaude que l'étoile brille non seulement avec une lumière bleu clair dans la partie visible du spectre, mais émet également dans la gamme des rayons X invisibles (pas même les ultraviolets)! Cet objet contient une quantité folle d'énergie, mais il ne peut la libérer dans l'Univers qu'à travers une surface très petite.

La question est, combien de temps faut-il pour qu'une étoile à neutrons refroidisse? La réponse dépend de cette partie de la physique des étoiles à neutrons, qui en pratique n'est pas très étudiée: le refroidissement des neutrinos! Vous voyez, si les photons (rayonnement) sont bien absorbés par la matière baryonique ordinaire, les neutrinos peuvent passer librement à travers une étoile à neutrons. Dans le cas le plus rapide, les étoiles à neutrons peuvent se refroidir et se cacher de la partie visible du spectre dans 10 ¹⁶ans, c'est-à-dire "seulement" en un temps un million de fois l'âge de l'univers. Mais dans les cas lents, cela peut prendre de 10 ²⁰ à 10 ²² ans - c'est-à-dire qu'il faut attendre un peu.

Mais il y a d'autres étoiles qui noircissent plus vite.

La plupart des étoiles - 99% avec une queue - ne deviennent pas des supernovae, et à la fin de leur vie, elles se réduisent lentement à des naines blanches. Lentement, cela ne se produit qu'en comparaison avec les supernovae: cela prend des dizaines et des centaines de milliers d'années, et non des secondes et des minutes, mais il est encore assez rapide pour économiser toute la chaleur du cœur de l'étoile. La différence est qu'au lieu de la conclure dans une sphère d'un diamètre de 16 km, la chaleur est enfermée dans un objet de la taille de «seulement» avec la Terre, c'est-à-dire mille fois plus grande.

Cela signifie que bien que les températures des naines blanches puissent être élevées - plus de 20 000 K, soit trois fois plus élevées que celles du Soleil - elles se refroidissent beaucoup plus rapidement que les étoiles à neutrons.

L'émission de neutrinos pour les naines blanches est négligeable, c'est-à-dire que le rayonnement principal provient de la surface. Lors du calcul de la vitesse à laquelle la chaleur peut quitter le corps par le rayonnement, il s'avère que les naines blanches (telles que celles obtenues du soleil) se refroidiront dans environ 10 ^{14 à} 10 ¹⁵ ans. Ce temps sera consacré au refroidissement à plusieurs degrés au-dessus du zéro absolu.

Cela signifie qu'après environ 10 billions d'années, ou "seulement" 1 000 fois plus longtemps que l'âge actuel de l'Univers, la température de surface de la naine blanche baissera de sorte qu'elle cesse d'être visible. Passé ce délai, de tout nouveaux objets apparaîtront dans l'Univers: les naines noires.

Il faut donc vous décevoir, Steve, les nains noirs n'existent pas aujourd'hui. L'univers est trop jeune pour eux. Les naines blanches les plus froides, selon nos calculs, n'ont pas perdu plus de 0,2% de toute l'énergie depuis que les toutes premières sont apparues dans l'Univers. Autrement dit, pour une naine blanche avec une température de 20 000 K, cela signifie que sa température est tombée à 19 960 K, et qu'elle est encore très loin d'une étoile noire.

C'est drôle comme nous imaginons notre univers rempli d'étoiles lumineuses, assemblées ensemble dans des galaxies séparées par de vastes espaces. Au moment où la première naine noire apparaît, notre groupe de galaxies fusionnera en un seul, Milkdromeda, la plupart des étoiles qui apparaîtront auront déjà brûlé la leur, et les autres auront la plus petite masse et seront les plus rouges et les plus ternes de toutes.

De plus, toutes les autres galaxies quitteront notre portée, grâce à l'énergie sombre. Les chances de vie seront extrêmement faibles et les étoiles, ainsi que les cadavres d'étoiles, commenceront à voler hors de la galaxie en raison des influences gravitationnelles plus rapidement que de nouvelles ne se formeront.

Et dans ce contexte, cependant, pour la première fois depuis longtemps, de nouveaux objets apparaîtront. Et bien que nous ne puissions jamais voir et percevoir un tel objet, nous en savons assez sur la nature pour savoir non seulement qu'ils existeront, mais aussi comment et quand ils apparaîtront. Et en soi, c'est l'une des propriétés les plus étonnantes de la science!

Demandez à Ethan n ° 98: quand les étoiles sortiront-elles?

More articles: