gov-civil-vilareal.ptZwarte dwergsupernova's: de laatste explosies in het heelal
>Hier is een gelukkige gedachte: het universum kan eindigen in een gejammer en een knal. Veel knallen.
Berekeningen gedaan door een astrofysicus geven aan dat het heelal in de verre toekomst miljoenen objecten zal hebben die zwarte dwergen , en dat ze uiteindelijk kunnen exploderen als supernova's . In feite vertegenwoordigen ze misschien de allerlaatste dingen die het universum kan doen.
Maar dit zal niet lang gebeuren. Een heel, heel, heel lange tijd*. Zo lang vanaf nu dat ik moeite heb om uit te leggen hoe lang het zal zijn. Ik kom er wel op - je hersenen zullen er plat van worden, dat beloof ik - maar we moeten eerst wat praten over sterren, en kernfusie, en materie.
Sterren zoals de zon geven energie af terwijl ze waterstofatomen samensmelten tot heliumatomen in hun kernen . Het lijkt erg op de manier waarop een waterstofbom werkt, maar dan op een veel grotere schaal; de zon produceert ongeveer de equivalente energie van honderd miljard bommen van één megaton. Elk tweede .
Uiteindelijk raakt de waterstof op. Er kunnen dan veel gecompliceerde dingen gebeuren, afhankelijk van hoe zwaar de ster is, wat erin zit en meer . Maar voor sterren tot ongeveer 8 tot 10 keer de massa van de zon blazen de buitenste lagen allemaal weg, waardoor de kern aan de ruimte wordt blootgesteld; een kern die een bal van materiaal is geworden, zodat gecomprimeerde vreemde kwantummechanica-regels in het spel komen. Het bestaat nog steeds uit atoomkernen (zoals zuurstof, magnesium, neon en dergelijke) en elektronen, maar ze zijn onder ongelooflijk druk, waarbij de kernen elkaar bijna raken. Zo'n materiaal noemen we gedegenereerde materie , en het object zelf heet een witte dwerg .
waar gaat tussen grijstinten over?
De dichtstbijzijnde witte dwerg voor ons, Sirius B, heeft de massa van de zon maar de grootte van de aarde. Ter vergelijking: de zon is meer dan 100 keer breder dan de aarde. Credit: ESA en NASA
Voor sterren als deze is dat zo'n beetje het einde van de weg. Het soort fusieproces waar ze miljarden jaren van genoten - thermonucleair fusie, waarbij (enorm vereenvoudigd) de atoomkernen zo heet zijn dat ze in elkaar slaan en samensmelten - kan niet meer werken. De witte dwerg wordt heel heet geboren, honderdduizenden graden Celsius, maar zonder een voortdurende warmtebron begint hij af te koelen.
Dat proces duurt miljarden jaren. Witte dwergen die zich in het vroege heelal hebben gevormd, zijn nu net koel genoeg om roodgloeiend te zijn, rond de 4.000 ° C.
Maar het heelal is jong, slechts ongeveer 14 miljard jaar oud. Over zeer lange tijd zullen die witte dwergen verder afkoelen. Uiteindelijk koelen ze helemaal af tot bijna het absolute nulpunt: -273°C. Dat zal biljoenen jaren duren, zo niet quadriljoenen . Veel langer dan het heelal al bestaat.
Maar op dat moment zullen de gedegenereerde materie-objecten geen licht uitstralen. Ze zullen donker zijn, daarom noemen we ze zwarte dwergen .
Is dat het dan? Alleen zwarte dwergen die daar zitten, bevroren, voor altijd?
Kunstwerk met een zwarte dwerg in de verre toekomst; een dode ster die ooit op de zon leek. Dit is enigszins fantasievol; tegen de tijd dat zwarte dwergen bestaan, zouden alle sterren in het heelal ook dood moeten zijn. Credit: Baperookamo / Wikimedia Commons / Creative Commons Naamsvermelding-Gelijk delen 4.0 Internationaal
Nou ja, misschien niet, en dit is waar dingen raar beginnen te worden (ja, ik weet het, ze zijn al raar, maar wacht maar een paar alinea's). Momenteel denken natuurkundigen dat protonen, een van de meest elementaire subatomaire deeltjes, kan spontaan vergaan . Dit duurt gemiddeld erg lang. Experimenteel bewijs heeft aangetoond dat de protonhalfwaardetijd ten minste 10 . kan zijn3. 4jaar. Dat is een biljoen biljoen keer langer dan de huidige leeftijd van het heelal.
Als dat waar is, betekent dat dat de protonen in de atoomkernen in de zwarte dwergen zullen vervallen. Als ze dat doen, dan na enige tijd 1035of meer jaren, de zwarte dwergen zullen... verdampen. poef. Weg. Op dat moment is alles wat overblijft nog dichter neutronensterren en zwarte gaten .
Kunstwerk dat het magnetische veld rond een neutronenster afbeeldt. Credit: Casey Reed / Penn State University
Maar protonverval, hoewel voorspeld door de huidige deeltjestheorie, is nog niet waargenomen. Wat als protonen niet doen verval? Wat gebeurt er dan met zwarte dwergen?
Dat is waar dit nieuwe papier om de hoek komt kijken . Het blijkt dat er andere kwantummechanica-effecten belangrijk worden, zoals: tunnelen . Atoomkernen zijn geladen met protonen, die een positieve lading hebben, waardoor de kernen elkaar afstoten. Maar ze staan heel dicht bij elkaar in het midden van de zwarte dwerg. Kwantummechanica zegt dat deeltjes plotseling over zeer kleine afstanden in de ruimte kunnen springen (dat is het tunnelgedeelte, en natuurlijk het is veel ingewikkelder dan mijn al te eenvoudige samenvatting hier), en als de ene kern dicht genoeg bij de andere springt, kablam! Ze smelten samen, vormen een zwaardere elementkern en geven energie af.
Dit is anders dan thermonucleaire fusie, die veel warmte nodig heeft. Dit soort heeft helemaal geen warmte nodig, maar het heeft wel een heel hoge dichtheid nodig, dus het heet pycnonucleaire fusie ( trots in het oud-Grieks betekent gespannen ).
Na verloop van tijd versmelten de kernen in de zwarte dwerg, heel erg langzaam. De warmte die vrijkomt is minimaal, maar het totale effect is dat ze nog dichter worden. Ook, zoals bij normale sterren, creëren de kernen die samensmelten zwaardere kernen, tot ijzer.
Dat is een probleem . De effecten die de ster tegen zijn eigen intense zwaartekracht houden, is de degeneratiedruk tussen elektronen. Als je ijzer probeert te smelten, eet het elektronen op. Als er genoeg ijzer samensmelt, verdwijnen de elektronen, de steun voor het object gaat mee en het stort in.
Kunstwerk van een kerninstorting hypernova, een super-supernova. Credit: NASA/Dana Berry/Skyworks Digital
Dit gebeurt ook met normale sterren. Ze moeten behoorlijk massief zijn, meer dan 8-10 keer de massa van de zon (dus de kern is minstens 1,5 keer de massa van de zon). Maar voor zulke sterren stort de kern plotseling in, de kernen slaan tegen elkaar en vormen een bal van neutronen, wat we een neutronenster . Dit geeft ook een kavel van energie, waardoor een supernova ontstaat.
Dit zal ook gebeuren met zwarte dwergen! Als er genoeg ijzer is opgebouwd, zullen ook zij instorten en exploderen, waarbij een neutronenster achterblijft.
Maar pyknonucleaire fusie is een tergend langzaam proces. Hoe lang duurt dat voor de plotselinge ineenstorting en kablooie?
Ja, ik had eerder beloofd dat ik dit nummer zou uitleggen. Voor de zwarte dwergen met de hoogste massa, die als eerste zullen instorten, is de gemiddelde hoeveelheid tijd die het kost, nou ja, 101.100jaar .
hoe het eindigt met gezond verstand media
Dat is 10 tot de 1100ste macht. Uitgeschreven, het is een 1 gevolgd door elfhonderd nullen.
Ik... Ik heb geen analogieën voor hoe lang dat is. Het is een te groot aantal om zelfs maar enige rationele betekenis te hebben voor de zielige klodders vlees in of schedels.
Ik bedoel, serieus, hier staat het opgeschreven:
Ik bedoel, kom op. 10^1100ste macht uitgeschreven. Krediet: Phil Plait
Dat is een kavel van nullen. Zorg ervoor dat ik het nummer goed heb.
Ik heb geprobeerd het op te splitsen in kleinere eenheden die logisch zijn, maar kom op. Een van de grootste getallen die we noemden is a googol , dat is 10100, een één gevolgd door 100 nullen.
Het nummer hierboven is een googolelf, een googol tot de 11e macht.
En dat zijn de zwarte dwergen die gaan eerst . De laagste massa duurt veel langer.
Hoe lang nog? Ik ben niet erg blij dat je het vraagt. Ze storten in na ongeveer 1032.000jaar.
Dat is geen typfout. Het is tien tot de tweeëndertigduizendste macht. Een een met 32.000 nullen erachter .
Oke dan.
Ik merk op dat dit voor sterren is die zwaarder beginnen dan de zon. Sterren zoals de onze zijn niet massief genoeg om de pyknonucleaire fusie op gang te brengen - ze hebben niet genoeg massa om de kern in de daarvoor benodigde dichtheid te persen - dus als ze in zwarte dwergen veranderen, is dat zo'n beetje alles. Daarna niets meer.
Ervan uitgaande dat protonen niet vervallen, zal ik nogmaals opmerken. Waarschijnlijk doen ze dat, dus misschien is dit allemaal gewoon spelen met natuurkunde zonder een echt resultaat dat we kunnen zien (niet dat we er sowieso zullen zijn). Of misschien hebben we het mis over protonen, en in die onvoorstelbaar verre toekomst zal het heelal bestaan uit neutronensterren, zwarte gaten, zwarte dwergen met een lage massa zoals de zon, en zoiets als een triljoen zwarte dwergen die op een dag zullen instorten en exploderen.
Een simulatie van hoe een zwart gat met een schijf van gas eromheen eruit zou zien, gezien de bizarre effecten van zijn felle zwaartekracht op het licht van de schijf. Credit: NASA's Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman
Zwarte gaten, ik zal het opmerken, verdampen ook , en de laatste daarvan zouden in minder dan een googol jaar moeten verdwijnen. Als dat zo is, dan zijn zwarte dwergsupernova's misschien wel de laatste energetische gebeurtenissen die het heelal kan opbrengen. Daarna niets meer. Hitte dood. Oneindige kou voor oneindige tijd.
Ach, het wordt nog erger. Het heelal breidt zich uit, maar het deel ervan dat we kunnen zien, de waarneembaar Universum, is eigenlijk aan het krimpen. Dit heeft te maken met donkere energie en de versnelde uitdijing van het heelal, die ik elders heb uitgelegd . Maar tegen de tijd dat de zwarte dwergen beginnen te exploderen, zal het heelal dat we kunnen zien, zijn gekrompen tot de grootte van ons eigen melkwegstelsel. Tja, wat is er dan nog van over. De kans is groot dat de zwarte dwergen tegen die tijd zo ver zijn verspreid dat we er niet eens één in ons waarneembare frame zullen zijn.
Dat is afzetterij. Je zou denken dat zo lang wachten enige vruchten afwerpt.
Dus waarom de moeite nemen om dit allemaal te berekenen? Ik vind het eigenlijk wel een goed idee. Om te beginnen wordt wetenschap nooit verspild. Het is mogelijk dat dit allemaal klopt.
Ook zou het doen van de berekening interessante nevenresultaten kunnen opleveren, dingen die implicaties hebben voor het hier-en-nu die waarneembaar kunnen zijn (zoals het verval van protonen). Er kan een tastbaar voordeel zijn.
Maar echt, voor mijn geld, is deze daad van spectaculaire verbeelding waar het bij wetenschap om draait. Grenzen verleggen! Overschrijd de grenzen! Vraag: 'Wat nu? Wat gebeurt er daarna?' Dit verlegt onze grenzen, verlegt onze grenzen en bevrijdt de hersenen - binnen de grenzen van de bekende natuurkunde en wiskunde - om wegen te bewandelen die anders onontdekt waren.
De waarheid zoeken kan een moeilijke weg zijn, maar het leidt wel tot begrip, en daar zit schoonheid in.
* Dat linkt naar een artikel geschreven door mijn SYFY WIRE-collega Jeff Spry over dit onderwerp toen het een tijdje geleden voor het eerst uitkwam. Hij geeft er een goede samenvatting van, maar na zelf de krant gelezen te hebben wilde ik er nog dieper op in. En eerlijk gezegd zou ik over dit onderwerp wel drie keer zo lang een artikel kunnen schrijven. Er gebeurt hier veel.
