gov-civil-vilareal.ptSchwarze Zwerg-Supernovae: Die letzten Explosionen im Universum
>Hier ist ein glücklicher Gedanke: Das Universum könnte in einem Wimmern enden und ein Knall. Viel Pony.
Berechnungen von einem Astrophysiker weisen darauf hin, dass das Universum in ferner Zukunft Sextillionen von Objekten namens . haben wird schwarze Zwerge , und dass sie schließlich wie Supernovae explodieren können . Tatsächlich können sie die allerletzten Dinge darstellen, die das Universum tun kann.
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Aber das wird noch lange nicht passieren. Eine sehr, sehr, sehr lange Zeit*. So lange von jetzt an habe ich Schwierigkeiten herauszufinden, wie ich erklären soll, wie lange es dauern wird. Ich komme dazu – Ihr Gehirn wird davon plattgetrampelt, das verspreche ich –, aber wir müssen zuerst ein bisschen über Sterne, Kernfusion und Materie sprechen.
Sterne wie die Sonne setzen Energie frei wenn sie in ihren Kernen Wasserstoffatome zu Heliumatomen verschmelzen . Es ist sehr ähnlich wie bei einer Wasserstoffbombe, aber in einem massiv größeren Maßstab; die Sonne gibt ungefähr die äquivalente Energie von hundert Milliarden Ein-Megatonnen-Bomben ab. Jeden zweite .
Irgendwann geht der Wasserstoff aus. Dann können viele komplizierte Dinge passieren, je nachdem, wie massiv der Stern ist, was darin ist und mehr . Aber bei Sternen mit der 8- bis 10-fachen Masse der Sonne werden die äußeren Schichten alle weggeblasen, wodurch der Kern dem Weltraum ausgesetzt wird; ein Kern, der zu einem Ball aus Material geworden ist, so dass komprimierte seltsame Regeln der Quantenmechanik ins Spiel kommen. Es besteht immer noch aus Atomkernen (wie Sauerstoff, Magnesium, Neon und dergleichen) und Elektronen, aber sie sind unter unglaublich Druck, wobei sich die Kerne praktisch berühren. Wir nennen ein solches Material entartete Materie , und das Objekt selbst wird Weißer Zwerg genannt .
Der uns am nächsten gelegene Weiße Zwerg, Sirius B, hat die Masse der Sonne, aber die Größe der Erde. Zum Vergleich: Die Sonne ist über 100-mal breiter als die Erde. Kredit: ESA und NASA
Für Stars wie diesen ist das so ziemlich das Ende der Straße. Die Art von Fusionsprozess, die sie seit Milliarden von Jahren genossen haben – thermonuklear Fusion, bei der (stark vereinfacht) die Atomkerne so heiß sind, dass sie ineinander knallen und verschmelzen – geht nicht mehr. Der Weiße Zwerg wird sehr heiß geboren, Hunderttausende von Grad Celsius, aber ohne eine kontinuierliche Wärmequelle beginnt er abzukühlen.
Dieser Prozess dauert Milliarden von Jahren. Weiße Zwerge, die sich im frühen Universum gebildet haben, sind gerade kühl genug, um rotglühend zu sein, etwa 4.000 °C.
Aber das Universum ist jung, nur etwa 14 Milliarden Jahre alt. Über sehr lange Zeiträume kühlen diese Weißen Zwerge weiter ab. Schließlich kühlen sie bis fast auf den absoluten Nullpunkt ab: -273°C. Das wird Billionen von Jahren dauern, wenn nicht Billiarden . Viel viel länger als das Universum schon existiert hat.
Aber an diesem Punkt werden die entarteten Materieobjekte kein Licht emittieren. Sie werden dunkel sein, deshalb nennen wir sie schwarze Zwerge .
Ist es das also? Nur schwarze Zwerge, die da draußen sitzen, eingefroren, für immer?
Kunstwerk, das einen schwarzen Zwerg in ferner Zukunft darstellt; ein toter Stern, der einst wie die Sonne war. Das ist etwas phantasievoll; Bis es Schwarze Zwerge gibt, sollten auch alle Sterne im Universum tot sein. Kredit: Baperookamo / Wikimedia Commons / Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International
Nun, vielleicht nicht, und hier werden die Dinge seltsam (ja, ich weiß, sie sind schon seltsam, aber warten Sie nur ein paar Absätze). Derzeit denken Physiker, dass Protonen, eines der grundlegendsten subatomaren Teilchen, kann spontan zerfallen . Das dauert im Durchschnitt sehr lange. Experimentelle Beweise haben gezeigt, dass die Protonenhalbwertszeit mindestens 10 . betragen kann3. 4Jahre. Das ist eine Billion Billion mal länger als das aktuelle Alter des Universums.
Wenn das stimmt, bedeutet dies, dass die Protonen in den Atomkernen der Schwarzen Zwerge zerfallen. Wenn dies der Fall ist, werden nach einiger Zeit 1035oder mehr Jahre werden die Schwarzen Zwerge… verdampfen. Puff. Weg. An diesem Punkt ist alles, was übrig bleibt, noch dichter Neutronensterne und Schwarze Löcher .
Kunstwerk, das das Magnetfeld zeigt, das einen Neutronenstern umgibt. Kredit: Casey Reed / Penn State University
Aber der Protonenzerfall wurde zwar von der aktuellen Teilchentheorie vorhergesagt, aber noch nicht beobachtet. Was ist, wenn Protonen nicht Verfall? Was passiert dann mit Schwarzen Zwergen?
Hier kommt dieses neue Papier ins Spiel . Es stellt sich heraus, dass es andere quantenmechanische Effekte gibt, die wichtig werden, wie zum Beispiel Tunnelbau . Atomkerne sind mit Protonen beladen, die eine positive Ladung haben, sodass sich die Kerne gegenseitig abstoßen. Aber im Zentrum des Schwarzen Zwergs stehen sie sehr dicht beieinander. Die Quantenmechanik sagt, dass Teilchen plötzlich sehr kleine Entfernungen im Weltraum springen können (das ist der Tunnelteil, und natürlich es ist viel komplizierter als meine allzu einfache Zusammenfassung hier), und wenn ein Kern nahe genug an einen anderen springt, kablam! Sie verschmelzen, bilden einen schwereren Elementkern und setzen Energie frei.
Dies unterscheidet sich von der thermonuklearen Fusion, die viel Wärme benötigt. Diese Art braucht überhaupt keine Hitze, aber sie braucht eine wirklich hohe Dichte, also heißt sie pyknonuklear Verschmelzung ( stolz im Altgriechischen bedeutet dicht ).
Im Laufe der Zeit verschmelzen die Kerne im Inneren des Schwarzen Zwergs sehr, sehr langsam. Die freigesetzte Wärme ist minimal, aber der Gesamteffekt ist, dass sie noch dichter werden. Ebenso wie in normalen Sternen erzeugen die Kerne, die verschmelzen, schwerere Kerne bis hin zu Eisen.
Das ist ein Problem . Die Wirkung, die den Stern gegen seine eigene starke Schwerkraft hält, ist der Entartungsdruck zwischen den Elektronen. Wenn Sie versuchen, Eisen zu schmelzen, frisst es Elektronen. Wenn genug Eisen verschmilzt, verschwinden die Elektronen, der Träger für das Objekt geht mit und es kollabiert.
Kunstwerk einer Kernkollaps-Hypernova, einer Super-Supernova. Kredit: NASA/Dana Berry/Skyworks Digital
Das passiert auch bei normalen Sternen. Sie müssen ziemlich massiv sein, mehr als das 8- bis 10-fache der Sonnenmasse (der Kern hat also mindestens das 1,5-fache der Sonnenmasse). Aber bei solchen Sternen kollabiert der Kern plötzlich, die Kerne schlagen zusammen und bilden eine Neutronenkugel, die wir a . nennen Neutronenstern . Dies gibt auch a . frei Grundstück Energie, wodurch eine Supernova entsteht.
Das wird auch bei Schwarzen Zwergen passieren! Wenn sich genug Eisen ansammelt, kollabieren und explodieren auch sie und hinterlassen einen Neutronenstern.
Aber die Kernkernfusion ist ein quälend langsamer Prozess. Wie lange dauert das bis zum plötzlichen Zusammenbruch und Kablooie?
Ja, ich habe vorhin versprochen, diese Nummer zu erklären. Für die massereichsten Schwarzen Zwerge, die zuerst kollabieren, beträgt die durchschnittliche Zeit, nun ja, 101.100Jahre .
Das ist 10 hoch 1.100. Ausgeschrieben ist es eine 1, gefolgt von elfhundert Nullen.
Ich... ich habe keine Analogien dafür, wie lange das dauert. Es ist eine zu große Zahl, um den erbärmlichen Fleischklumpen oder Schädeln auch nur irgendeine rationale Bedeutung zu haben.
Ich meine, im Ernst, hier steht es ausgeschrieben:
Ich meine, komm schon. 10^1100. Leistung ausgeschrieben. Bildnachweis: Phil Plait
Das ist ein Grundstück von Nullen. Überzeugen Sie sich selbst, ob ich die richtige Nummer habe.
Ich habe versucht, es in kleinere Einheiten zu unterteilen, die Sinn machen, aber komm schon. Eine der größten Zahlen, die wir genannt haben, ist a googol , das ist 10100, eine Eins gefolgt von 100 Nullen.
Die Nummer oben ist ein googolelf, ein Googol zur 11. Potenz.
Und das sind die schwarzen Zwerge, die gehen erste . Die mit der geringsten Masse brauchen viel länger.
Wie lange noch? Ich bin nicht sonderlich froh, dass Sie gefragt haben. Sie kollabieren nach etwa 1032.000Jahre.
Das ist kein Tippfehler. Es ist zehn hoch zweiunddreißigtausendstel. Eine Eins mit 32.000 Nullen danach .
OK dann.
Ich möchte darauf hinweisen, dass dies für Sterne gilt, die anfangs massereicher sind als die Sonne. Sterne wie unserer sind nicht massiv genug, um die Kernfusion in Gang zu bringen – sie haben nicht genug Masse, um den Kern in die dafür erforderliche Dichte zu pressen – wenn sie sich also in Schwarze Zwerge verwandeln, ist das so ziemlich alles. Danach nichts.
Unter der Annahme, dass Protonen nicht zerfallen, werde ich es noch einmal notieren. Wahrscheinlich tun sie das, also spielt vielleicht alles nur mit Physik ohne ein tatsächliches Ergebnis, das wir sehen können (nicht, dass wir sowieso in der Nähe sein werden). Oder vielleicht liegen wir bei Protonen falsch, und in dieser unvorstellbar fernen Zukunft wird das Universum aus Neutronensternen, Schwarzen Löchern, massearmen Schwarzen Zwergen wie der Sonne und so etwas wie einer Sextillion Schwarzer Zwerge bestehen, die eines Tages kollabieren und explodieren werden.
Eine Simulation, wie ein Schwarzes Loch mit einer umwirbelnden Gasscheibe aussehen würde, angesichts der bizarren Auswirkungen seiner heftigen Schwerkraft auf das Licht der Scheibe. Kredit: Goddard Space Flight Center der NASA/Jeremy Schnittman
Schwarze Löcher, werde ich bemerken, auch verdampfen , und der letzte davon sollte in weniger als ein googol Jahren gehen. Wenn dies der Fall ist, könnten Supernovae des Schwarzen Zwergs die letzten energetischen Ereignisse sein, die das Universum aufbringen kann. Danach nichts. Wärmetod. Unendliche Kälte für unendliche Zeit.
Oh, hey, es wird schlimmer. Das Universum dehnt sich aus, aber der Teil davon, den wir sehen können, der beobachtbar Universum, schrumpft tatsächlich. Das hat mit dunkler Energie und der beschleunigten Expansion des Universums zu tun, die ich an anderer Stelle erklärt habe . Aber bis die Schwarzen Zwerge zu explodieren beginnen, wird das Universum, das wir sehen können, auf die Größe unserer eigenen Galaxie geschrumpft sein. Naja, was ist bis dahin davon übrig. Die Chancen stehen gut, dass die Schwarzen Zwerge bis dahin so weit verstreut sind, dass wir nicht einmal einen in unserem beobachtbaren Rahmen haben.
Das ist eine Abzocke. Man könnte meinen, dass es sich auszahlen würde, so lange zu warten.
Warum also alles durchgehen, um das alles zu berechnen? Ich finde es eigentlich eine gute Idee. Zum einen wird Wissenschaft nie verschwendet. Es ist möglich, dass das alles richtig ist.
Auch die Berechnung könnte interessante Nebenergebnisse liefern, Dinge, die Auswirkungen auf das Hier und Jetzt haben, die beobachtbar sein könnten (wie der Zerfall von Protonen). Es könnte einen spürbaren Vorteil geben.
Aber wirklich, für mein Geld ist dieser Akt spektakulärer Phantasie das, worum es in der Wissenschaft geht. An die Grenzen gehen! Überschreite die Grenzen! Fragen Sie: „Was kommt als nächstes? Was passiert danach?' Dies erweitert unsere Grenzen, stößt an unsere Grenzen und befreit das Gehirn – innerhalb der Grenzen der bekannten Physik und Mathematik –, um sonst unentdeckte Wege zu gehen.
Die Suche nach der Wahrheit kann ein harter Weg sein, aber es führt zum Verständnis, und darin liegt Schönheit.
* Das verlinkt auf einen Artikel, der von meinem SYFY WIRE-Kollegen Jeff Spry zu diesem Thema geschrieben wurde, als es vor einiger Zeit zum ersten Mal herauskam. Er fasst es gut zusammen, aber nachdem ich die Zeitung selbst gelesen hatte, wollte ich tiefer eintauchen. Und ehrlich gesagt könnte ich zu diesem Thema dreimal so lange einen Artikel schreiben. Hier ist viel los.
