Pergunte a Ethan: Os Nonstars ainda podem se tornar estrelas?

O sistema de anã marrom mais próximo da Terra, Luman 16 , como um todo contém massa suficiente para formar uma estrela anã vermelha, se você juntar tudo nele. A questão é: isso acontecerá em nosso universo, é bastante interessante

No céu noturno, as estrelas são claramente visíveis em qualquer direção, para onde quer que olhemos. Mas para cada estrela que acumulou massa suficiente para iniciar a fusão nuclear em seu centro, queimando hidrogênio, transformando-o em hélio e convertendo matéria em energia através de E = mc ² , existem muitos outros objetos que não conseguiram isso. A maioria dos pedaços de massa que começam a se formar na nebulosa nunca cresce o suficiente para se tornar uma estrela - eles se tornam nuvens de gás fragmentadas, asteróides, mundos rochosos, gigantes de gás ou anãs marrons. As anãs marrons são as "estrelas" do Universo, que reuniram massa suficiente para desencadear a síntese de isótopos raros, mas não o suficiente para se tornarem estrelas verdadeiras. Mas muitas anãs marrons existem em pares, e é por isso que nosso leitor fez a seguinte pergunta:

As órbitas dessas anãs marrons ficarão menores com o tempo devido à perda de energia nas ondas gravitacionais? Eles vão se fundir no final? Se sim, o que acontece depois disso? Eles se tornarão uma verdadeira estrela de síntese? Ou algo completamente diferente?

Na astronomia, como na vida, só porque você não teve sucesso na primeira vez, não significa que você nunca terá sucesso. Vamos começar com aquelas estrelas que poderiam.


Ilustração de um planeta gigante que orbita uma estrela anã vermelha. A diferença entre um planeta, uma não estrela e uma estrela verdadeira é apenas em massa

Para acender a fusão nuclear no centro de uma estrela e fazer com que os núcleos de hidrogênio entrem em uma reação de fusão, é necessário atingir temperaturas da ordem de 4.000.000 K. O gás no espaço interestelar a partir do qual as estrelas são formadas é bastante frio - apenas algumas dezenas de graus acima do zero absoluto. Mas então a gravidade se conecta e causa o colapso da nuvem de gás. Nesse momento, os átomos no interior ganham velocidade, colidem e aquecem. Se houvesse poucos átomos, eles irradiariam esse calor no espaço interestelar, enviando raios de luz para viajar por toda a galáxia. Mas se você juntar muitos átomos, eles não liberam essa luz, por causa da qual o interior da nuvem de gás começa a esquentar.


A constelação de Orion, juntamente com um enorme complexo de nuvens moleculares e as estrelas mais brilhantes. Muitas novas estrelas são formadas devido ao colapso do gás, o que não permite que o calor escape do local de formação estelar

Se algo pequeno, pesando um asteróide, formar a Terra, ou mesmo Júpiter, pode aquecer milhares ou até dezenas de milhares de graus no núcleo - mas ainda estará muito longe da temperatura de síntese. Mas quando você atinge uma certa massa crítica - cerca de treze massas de Júpiter -, obtém temperaturas da ordem de 1.000.000 K. Isso não é suficiente para a síntese de hélio a partir do hidrogênio, mas é a temperatura crítica para uma certa reação: síntese de deutério. Na ordem de 0,002% de hidrogênio no Universo, o núcleo contém não apenas um próton, mas um próton associado a um nêutron, ou seja, um deuteron. A temperaturas de um milhão de graus, o deuteron e o próton são capazes de sintetizar o hélio-3 (um isótopo de hélio não muito comum), e essa reação ocorre com a liberação de energia.

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A reação em cadeia próton-próton responsável pela maior parte da energia do sol é um exemplo de fusão nuclear. Na síntese do deutério, apenas a reação 2H (deutério) + 1H (próton) -> ³ He (hélio-3) pode ocorrer

Isso é importante! Essa produção de energia, especialmente na fase da protoestrela, produz radiação de alta energia que resiste ao colapso gravitacional interno e evita que o centro aqueça demais, o que poderia elevar as temperaturas para 4.000.000 K. Isso proporciona tempo adicional - dezenas de milhares de anos ou mais - para isso. para reunir ainda mais massa. Afinal, assim que uma estrela começa a síntese a partir de hidrogênio puro (prótons), a produção de energia se torna tão grande que a estrela não cresce mais - portanto, os estágios iniciais de desenvolvimento são críticos. Se não fosse a participação do deutério na síntese, as maiores estrelas excederiam o Sol em massa em um máximo de três vezes, e não centenas de vezes, como as que temos por perto.


Imagem composta do primeiro exoplaneta já observado diretamente (vermelho) e sua anã marrom materna. Uma estrela verdadeira seria fisicamente maior e sua massa seria maior que a dessa anã marrom.

Para atingir a temperatura central de 4.000.000 K e se tornar uma verdadeira estrela, você precisa ganhar pelo menos 7,5% da massa solar: cerca de 1,5 × 10 ²⁹ kg. Para se tornar uma anã marrom e iniciar a síntese usando deutério, é necessário de 2,5 × 10 ²⁸ kg a 1,5 × 10 ²⁹ kg. E com a mesma freqüência que estrelas binárias, anãs marrons duplas são encontradas no espaço.


As duas anãs marrons que compõem o sistema Luman 16, e elas podem eventualmente se fundir para criar uma estrela

De fato, a anã marrom mais próxima de nós, o sistema Luman 16, é um sistema duplo. Também se sabe que ao redor de outras anãs marrons planetas gigantes se movem em órbitas. No caso de Luman 16, foram determinadas as seguintes massas de duas anãs marrons:

1. O principal - de 8,0 × 10 ²⁸ a 1,0 × 10 ²⁹ kg.
2. Secundário - de 6,0 × 10 ²⁸ a 1,0 × 10 ²⁹ kg.

Em outras palavras, há uma grande chance de que, se essas duas não-estrelas, girando uma à outra a uma distância de cerca de três vezes a distância do Sol à Terra, se combinem, elas formarão uma estrela real. Qualquer adição de massa que transfira um não-estrela através da linha de massa necessária para começar a queimar hidrogênio o transformará em uma estrela.


As duas anãs marrons que compõem Luman 16 foram fotografadas 12 vezes pelo telescópio Hubble, e determinamos seu movimento e órbitas relativas durante um período de vários anos

A intuição não falha no leitor: sim, as massas que giram em torno umas das outras emitem ondas gravitacionais, e essa radiação fará com que as órbitas diminuam. Mas para tais massas e distâncias, essa diminuição levará cerca de ^10.200 anos, o que é muito, muito mais longo do que a vida útil do Universo. Isso é ainda mais longo que o tempo de vida de qualquer estrela, ou mesmo uma galáxia, ou mesmo um buraco negro central em uma galáxia. Se você vai esperar até que as ondas gravitacionais transformem esse par de anãs marrons em estrela, terá que esperar um tempo decepcionantemente longo.


O cenário de cair um em cima do outro em espiral devido a ondas gravitacionais de duas anãs marrons tão bem separadas como essas levará muito tempo. Mas colisões são muito prováveis. Assim como as estrelas vermelhas produzem estrelas azuis individuais em uma colisão, colisões de anãs marrons podem dar origem a estrelas anãs vermelhas.

Periodicamente, objetos no espaço colidem. O fato de estrelas, não estrelas, planetas perdidos e tudo o mais se mover na galáxia, principalmente sob a influência da gravidade, significa que há uma probabilidade finita de dois objetos colidirem acidentalmente. Isso é muito melhor do que esperar uma diminuição na órbita devido a ondas gravitacionais, exceto em casos especialmente extremos. Em uma linha do tempo da ordem de 10 a ¹⁸ anos, “apenas” 100 milhões de vezes mais que a idade atual do Universo, as anãs marrons colidirão acidentalmente com outras anãs marrons ou cadáveres estelares e darão origem a uma nova vida para os não-estrelas. Segundo nossas estimativas, esse destino aguarda cerca de 1% de todas as anãs marrons.


A atmosfera do Sol não se limita à fotosfera ou mesmo à coroa, mas se estende por milhões de quilômetros no espaço, mesmo na ausência de explosões e emissões.

Mas mesmo se você não puder esperar a radiação gravitacional funcionar e não tiver a sorte de encontrar mais uma anã marrom no espaço interestelar, ainda terá a chance de se unir. Geralmente imaginamos que as estrelas têm um certo espaço que ocupam no espaço, um certo volume. Imaginamos da mesma maneira, por exemplo, a atmosfera da Terra: como se tivesse um final claro, uma fronteira entre o que consideramos atmosfera e espaço. Isso é estúpido! De fato, átomos e partículas se estendem por milhões de quilômetros, e os flashes das estrelas são maiores que o raio da órbita da Terra. Recentemente, foi descoberto que as anãs marrons também emitem foguetes - assim como um satélite em órbita baixa acabará por voltar à Terra, então o atrito exercido pelas anãs marrons umas sobre as outras acabará por juntá-las. Para Luman 16, isso não funcionará, mas se a distância entre as duas estrelas não for comparável à distância do Sol a Mercúrio, e não à distância do Sol a Ceres, esse efeito poderá funcionar.


O estudo de longo prazo de Luigi Bedin sobre a observação das 16 não estrelas de Luman nos mostrou como sua localização e movimento mudam ao longo do tempo, com uma sequência cíclica devido ao movimento anual da Terra.

Então, o que acontece após uma fusão ou colisão? Tais eventos são raros e levam mais tempo do que a idade atual do universo. Naquela época, mesmo uma anã marrom teria consumido todo o seu deutério, e seu cadáver teria esfriado a uma temperatura de apenas alguns graus acima do zero absoluto na superfície. Mas a energia de colisão ou fusão deve ser suficiente para criar tanta pressão e calor no núcleo que eles ainda podem - se a linha de massa crítica for cruzada - iniciar a fusão nuclear. A estrela terá uma massa pequena, cor vermelha e viverá muito tempo, mais de 10 trilhões de anos. Quando a não estrela finalmente acende, é provável que ela se torne a única estrela brilhando na galáxia durante sua vida; tais eventos serão raros e distantes no tempo. No entanto, o tipo desta estrela provará ser interessante por si só.


Quando duas anãs marrons se fundem no futuro distante, é provável que se tornem a única luz no céu noturno, já que todas as outras estrelas já estão queimadas. A anã vermelha resultante se tornará a principal fonte de luz restante naquele momento no Universo.

Ele queima seu combustível tão lentamente que o hélio-4, obtido ao mesmo tempo - o resultado de uma reação de síntese envolvendo hidrogênio no núcleo - deixa o núcleo como resultado da convecção, o que permitirá que hidrogênio adicional participe da síntese. A convecção será tão eficaz que 100% do hidrogênio na estrela pode queimar até o fim, resultando em uma massa contínua de átomos de hélio. Para a queima desse hélio, a massa não será suficiente; portanto, restos estelares serão comprimidos para um tipo de estrela que ainda não está em nosso Universo: uma anã branca de hélio. Para que a anã branca esfrie e pare de brilhar, levará cerca de quatrilhão de anos e, nesse momento, outras anãs marrons da galáxia colidirão e acenderão. Quando a não estrela finalmente obtém sucesso e passa por todo o seu ciclo de vida, tornando-se uma anã negra, outra não estrela espera por sua oportunidade.


Comparação das cores e tamanhos da anã branca (esquerda), da Terra, refletindo a luz do sol (no meio) e da anã preta (direita). Quando as anãs brancas finalmente emitem os restos de sua energia, todas elas acabam se tornando anãs negras

Se você pudesse se tornar imortal, poderia, em princípio, viajar de um unstell para outro, recebendo energia dos últimos sucessos raros do Universo. A maioria das não-estrelas permanecerá nesse estado para sempre, mas algumas, com quem a boa sorte sorri, queimarão muito mais tarde do que todas as outras fontes de luz se apagam. Como afirma a famosa frase de Winston Churchill: "O sucesso não é final, o fracasso não é fatal, apenas a coragem de continuar importando". Talvez isso seja verdade mesmo para estrelas e até mais do que para você e eu.

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: se o Universo está se expandindo, por que não estamos expandindo ? por que a era do universo não coincide com o raio de sua parte observada .