gov-civil-vilareal.ptSvart dverg -supernova: De siste eksplosjonene i universet
>Her er en glad tanke: Universet kan ende med et klynk og et smell. Mange smell.
Beregninger utført av en astrofysiker indikerer at i fremtiden vil universet ha sekstitjoner av objekter kalt svarte dverger , og at de til slutt kan eksplodere som supernovaer . Faktisk kan de representere de aller siste tingene Universet kan gjøre.
jumanji velkommen til jungelen foreldre guide
Men dette vil ikke skje på lenge. Veldig, veldig, veldig lang tid*. Så lenge fra nå har jeg problemer med å finne ut hvordan jeg skal forklare hvor lang tid det vil ta. Jeg kommer til det - hjernen din blir stampet flatt av det, jeg lover - men vi må snakke litt først om stjerner og kjernefusjon og materie.
Stjerner som Solen frigjør energi som de smelter hydrogenatomer til heliumatomer i kjernene . Det ligner veldig på hvordan en hydrogenbombe fungerer, men i massivt større skala; solen sender ut omtrent ekvivalent energi til hundre milliarder ett-megaton bomber. Hver sekund .
Til slutt går hydrogenet tom. Mange kompliserte ting kan skje da avhengig av hvor massiv stjernen er, hva den inneholder og mer . Men for stjerner opp til omtrent 8 - 10 ganger massen av Solen blåser alle de ytre lagene, og utsetter kjernen for verdensrommet; en kjerne som har blitt en ball av materiale, så komprimerte rare kvantemekanikkregler spiller inn. Den består fortsatt av atomkjerner (som oksygen, magnesium, neon og slikt) og elektroner, men de er under utrolig trykk, med kjernene praktisk talt rørende. Vi kaller et slikt materiale degenerert materie , og selve objektet kalles en hvit dverg .
Den nærmeste hvite dvergen til oss, Sirius B, har massen av Solen, men størrelsen på jorden. Til sammenligning er solen over 100 ganger bredere enn jorden. Kreditt: ESA og NASA
For stjerner som dette er det stort sett slutten på veien. Den typen fusjonsprosess de likte i milliarder av år - termonukleær fusjon, hvor (enormt forenklet) atomkjernene er så varme at de smeller inn i hverandre og smelter sammen - kan ikke fungere mer. Den hvite dvergen er født veldig varm, hundretusenvis av grader Celsius, men uten en pågående varmekilde begynner den å kjøle seg ned.
Den prosessen tar milliarder av år. Hvite dverger som ble dannet i det tidlige universet er akkurat nå kule nok til å være rødglødende, rundt 4000 ° C.
Men universet er ungt, bare omtrent 14 milliarder år gammelt. Over veldig lange perioder vil de hvite dvergene avkjøles ytterligere. Til slutt vil de kjøle seg helt ned til omtrent absolutt null: -273 ° C. Det vil ta billioner av år, hvis ikke kvadrillioner . Mye mye lengre enn universet allerede har eksistert.
Men på det tidspunktet vil de degenererte materieobjektene ikke avgi noe lys. De blir mørke, derfor kaller vi dem svarte dverger .
Så er det det? Bare svarte dverger som sitter der ute, frosne, for alltid?
Kunstverk som viser en svart dverg i fremtiden. en død stjerne som en gang var som solen. Dette er noe fantasifullt; Når det finnes svarte dverger, burde alle stjernene i universet også være døde. Kreditt: Baperookamo / Wikimedia Commons / Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International
Vel, kanskje ikke, og det er her ting begynner å bli rart (ja, jeg vet, de er allerede rare, men bare vent noen få avsnitt). For tiden tror fysikere at protoner, en av de mest grunnleggende av subatomære partikler, kan forfalle spontant . I gjennomsnitt tar dette veldig lang tid. Eksperimentelle bevis har vist at protonhalveringstiden kan være minst 103. 4år. Det er en billion billioner ganger lenger enn universets nåværende alder.
Hvis det er sant, betyr det at protonene inne i atomkjernene i de svarte dvergene vil forfalle. Hvis de gjør det, så etter en viss tid, 1035eller flere år, vil de svarte dvergene… fordampe. Puff. Borte. På det tidspunktet er alt som blir igjen enda tettere nøytronstjerner og svarte hull .
Kunstverk som viser magnetfeltet rundt en nøytronstjerne. Kreditt: Casey Reed / Penn State University
Men protonforfall, selv om det er forutsagt av nåværende partikkelteori, er ennå ikke observert. Hva om protoner ikke gjør det forfall? Hva skjer med svarte dverger da?
Det er der dette nye papiret kommer inn . Det viser seg at det er andre kvantemekanikkeffekter som blir viktige, som tunneling . Atomkjerner er lastet med protoner, som har en positiv ladning, så kjernene avviser hverandre. Men de er veldig tett i midten av den svarte dvergen. Kvantemekanikk sier at partikler plutselig kan hoppe i rommet veldig små avstander (det er tunneldelen, og selvfølgelig det er langt mer komplisert enn min altfor enkle synopsis her), og hvis en kjerne hopper nær nok til en annen, kablam! De smelter sammen, danner en tyngre elementkjerne og frigjør energi.
Dette er annerledes enn termonukleær fusjon, som trenger mye varme. Denne typen trenger ikke varme i det hele tatt, men den trenger virkelig høy tetthet, så det kalles pyknukleær fusjon ( stolt på gammelgresk betyr tett ).
Over tid smelter kjernene inne i den svarte dvergen, veldig veldig sakte. Varmen som frigjøres er minimal, men den samlede effekten er at de blir enda tettere. Også, som i normale stjerner, lager kjernene som smelter sammen tyngre kjerner, opp til jern.
Det er et problem . Virkningene som holder stjernen opp mot sin egen intense tyngdekraft er degenerasjonstrykk mellom elektroner. Når du prøver å smelte jern, spiser det opp elektroner. Hvis nok jernsikringer går elektronene bort, går støtten til objektet med, og den kollapser.
Kunstverk av en kjernekollaps hypernova, en super-supernova. Kreditt: NASA/Dana Berry/Skyworks Digital
Dette skjer også med vanlige stjerner. De må være ganske massive, mer enn 8-10 ganger solens masse (så kjernen er minst 1,5 eller så ganger solens masse). Men for stjerner som dem kjernen plutselig kollapser, kjernene knuser sammen og danner en nøytronkule, det vi kaller en nøytronstjerne . Dette gir også ut en mye av energi, og skaper en supernova.
Dette vil skje med svarte dverger også! Når det bygger seg opp nok jern, vil også de kollapse og eksplodere og etterlate seg en nøytronstjerne.
Men pyknonukleær fusjon er en smertefull sakte prosess. Hvor lang tid vil det ta før den plutselige kollapsen og kablooie?
en bok med uheldige hendelser
Jeg lovet tidligere at jeg skulle forklare dette nummeret. For de svarte dvergene med høyeste masse, som først vil kollapse, er gjennomsnittlig tid det tar, vel, 101100år .
Det er 10 til 1100 -makten. Skrevet ut, det er en 1 etterfulgt av elleve hundre nuller.
Jeg… Jeg har ingen analogier for hvor lenge det er. Det er et for stort antall til å ha en form for rasjonell betydning for de patetiske kjøttklotene eller hodeskallene.
Jeg mener, seriøst, her er det skrevet:
Jeg mener, kom igjen. 10^1100. makt skrevet ut. Kreditt: Phil Plait
Det er en mye av nuller. Sørg for at jeg har nummeret riktig.
Jeg prøvde å dele det opp i mindre enheter som gir mening, men kom igjen. Et av de største tallene vi navngav er a googol , som er 10100, en etterfulgt av 100 nuller.
Tallet ovenfor er et googolelleve, et googol til 11. makt.
Og det er de svarte dvergene som går først . De laveste massene tar mye lengre tid.
Hvor mye lenger? Jeg er ikke veldig glad for at du spurte. De kollapser etter omtrent 1032 000år.
Det er ikke en skrivefeil. Det er ti til trettito tusen makt. En ener med 32 000 nuller etter det .
OK da.
Jeg vil merke at dette er for stjerner som starter mer massivt enn Solen. Stjerner som vår er ikke massive nok til å få den pyknukleære fusjonen til å gå - de har ikke nok masse til å presse kjernen inn i tettheten som trengs for det - så når de blir til svarte dverger, er det ganske mye det. Etter det, ingenting.
Forutsatt at protoner ikke forfaller, vil jeg merke igjen. Det gjør de sannsynligvis, så kanskje er det bare å leke med fysikk uten et faktisk utfall vi kan se (ikke det kommer vi til å gjøre uansett). Eller kanskje tar vi feil når det gjelder protoner, og i den ufattelig fjerne fremtiden vil universet bestå av nøytronstjerner, sorte hull, svarte dverger med lav masse som Solen, og noe som en sekstion svarte dverger som en dag vil kollapse og eksplodere.
En simulering av hvordan et svart hull med en gassskive virvler rundt det ville se ut, gitt de bisarre effektene av dens voldsomme tyngdekraft på lyset fra disken. Kreditt: NASAs Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman
Svarte hull, jeg vil merke, fordampe også , og den siste av dem skulle gå på mindre enn et googolår. I så fall kan svarte dverg -supernovaer være de siste energiske hendelsene universet kan mønstre. Etter det, ingenting. Varme døden. Uendelig kulde i uendelig tid.
Hei, det blir verre. Universet ekspanderer, men den delen av det som vi kan se, observerbar Universet, krymper faktisk. Dette har å gjøre med mørk energi og den akselererte utvidelsen av universet, som jeg har forklart andre steder . Men når de svarte dvergene begynner å eksplodere, vil universet vi kan se ha krympet til størrelsen på vår egen galakse. Hva er igjen av det da. Oddsen er at de svarte dvergene vil være spredt så langt da at vi ikke engang vil være en i vår observerbare ramme.
Det er en rip-off. Du skulle tro at det å vente så lenge ville ha litt utbytte.
Så hvorfor gå gjennom bevegelsene for å beregne alt dette? Jeg synes faktisk det er en god idé. For det første er vitenskap aldri bortkastet. Det er mulig at alt dette stemmer.
Handlingen med å gjøre beregningen kan også gi interessante bivirkninger, ting som kan ha implikasjoner for her og nå som kan observeres (som forfall av protoner). Det kan være en konkret fordel.
Men egentlig, for mine penger, er denne spektakulære fantasien det vitenskapen handler om. Skyv grensene! Overskrid grensene! Spør: 'Hva er det neste? Hva skjer etterpå? ' Dette utvider våre grenser, skyver tilbake på våre begrensninger og frigjør hjernen - innenfor grensene for den kjente fysikken og matematikken - til å forfølge veier som ellers er uoppdaget.
Å søke sannheten kan være en vanskelig vei, men det fører til forståelse, og det er skjønnhet i det.
* Det lenker til en artikkel skrevet av min SYFY WIRE -kollega Jeff Spry om dette emnet da det først kom ut for en stund siden. Han gir en god oppsummering av det, men etter å ha lest avisen selv ville jeg gjøre et dypere dykk. Og for å være ærlig, kunne jeg skrive en artikkel tre ganger så lenge om dette emnet. Det er mye som skjer her.
