Даже мертвые звезды светят сегодня и будут светить еще долго. Но они тоже станут черными.
“По мере того, как отступает чернота ночи, отступает и самая низкая точка вчерашнего дня. Ребенок, которым я являюсь, так быстро забывает». - Сильвия Эштон-Уорнер
Каждую неделю вы присылаете свои вопросы и предложения для «Спросите Итана», и мы устанавливаем новый рекорд с более чем 100 новыми идеями для колонок на этой неделе. Было много отличных кандидатов, но тот, который я выбрал, был одним из самых коротких и приятных, но в то же время одним из самых глубоких.
Сколько времени потребуется звездам, чтобы остыть после того, как они исчерпали свое ядерное топливо? Будут ли «черные» карлики? Сегодня есть?
Давайте начнем с разговора о жизни звезд и проведем вас до самого конца, чтобы полностью изучить ее.
Когда облако молекулярного газа коллапсирует под действием собственной гравитации, всегда есть несколько областей, которые вначале немного плотнее других. Каждое место с материей делает все возможное, чтобы притягивать к себе все больше и больше материи, но эти сверхплотные области притягивают материю более эффективно, чем все остальные.
Поскольку гравитационный коллапс - это неуправляемый процесс, чем больше материи вы притягиваете к себе, тем быстрее ускоряется дополнительная материя, чтобы присоединиться к вам. В то время как молекулярному облаку может потребоваться от миллионов до десятков миллионов лет, чтобы перейти от большого рассеянного состояния к относительно коллапсированному, процесс перехода от коллапсированного состояния плотного газа к новому скоплению звезд - , где самое плотное регионы зажигают синтез в своих ядрах - требуется всего несколько сотен тысяч лет.
Когда вы создаете новое скопление звезд, легче всего заметить самые яркие из них, которые также оказываются самыми массивными. Это самые яркие, самые голубые и самые горячие из существующих звезд, масса которых в сотни раз превышает массу нашего Солнца, а светимость - в миллионы раз больше. Но, несмотря на то, что именно эти звезды кажутся наиболее эффектными, это также и самые редкие звезды, составляющие гораздо менее 1% всех известных, полных звезд, а также самые короткоживущие звезды, так как они прожигают все ядерное топливо (на всех этапах) в их ядрах всего за 1-2 миллиона лет.
Когда у этих ярчайших звезд заканчивается топливо, они умирают в результате впечатляющего взрыва сверхновой II типа. Когда это происходит, внутреннее ядро взрывается, коллапсируя вплоть до нейтронной звезды (для ядер с малой массой) или даже до черной дыры (для ядер с большой массой), при этом внешние слои выбрасываются обратно в межзвездное пространство. середина. Там эти обогащающие газы будут способствовать будущим поколениям звезд, снабжая их тяжелыми элементами, необходимыми для создания каменистых планет, органических молекул и, в редких, удивительных случаях, жизни.
Черные дыры… ну, по определению сразу становятся черными. Помимо окружающих их аккреционных дисков и необычайно низкотемпературного излучения Хокинга, исходящего от их горизонтов событий, черные дыры становятся черными практически мгновенно после коллапса ядра.
Но нейтронные звезды - это совсем другая история.
Видите ли, нейтронная звезда забирает всю энергию ядра звезды и невероятно быстро коллапсирует. Когда вы берете что-либо и быстро сжимаете, вы вызываете повышение температуры внутри него: так работает поршень в дизельном двигателе. Что ж, коллапс от звездного ядра до нейтронной звезды, возможно, является лучшим примером быстрого сжатия. В течение нескольких секунд-минут ядро из железа, никеля, кобальта, кремния и серы диаметром во многие сотни тысяч миль (километров) рухнуло в шар всего около 10 миль (16 км) в диаметре. размера или меньше. Его плотность увеличилась примерно в квадриллион раз (10 ^ 15), а его температура чрезвычайно выросла: примерно до 10 ^ 12 К в ядре и до 10 ^ 6 К на поверхности.
И вот в чем проблема.
Вся эта энергия хранится внутри такой схлопнувшейся звезды, а ее поверхность настолько невероятно горячая, что она не только светится голубовато-белым светом в видимой части спектра, но и большая часть энергии не видимое и даже не ультрафиолетовое: это рентгеновская энергия! Внутри этого объекта хранится безумно большое количество энергии, но он может выпустить ее во Вселенную только через свою поверхность, а площадь его поверхности очень мала
Большой вопрос, конечно, в том, сколько времени понадобится нейтронной звезде, чтобы остыть? Ответ зависит от части физики, которая практически непонятна для нейтронных звезд: нейтринное охлаждение! Видите ли, в то время как фотоны (излучение) прочно удерживаются обычной барионной материей, нейтрино, когда они генерируются, могут беспрепятственно проходить сквозь всю нейтронную звезду. С другой стороны, нейтронные звезды могут остыть за пределами видимой части спектра всего за 10^16 лет, или «всего» в миллион раз больше возраста Вселенной. Но если дела идут медленнее, это может занять от 10^20 до 10^22 лет, а это значит, что вам придется подождать какое-то время.
Но есть и другие звезды, которые чернеют быстрее.
Видите ли, подавляющее большинство звезд - остальные 99% и изменения - не становятся сверхновыми, а скорее в конце своей жизни сжимаются (медленно) до белого карлика.«Медленная» шкала времени медленнее только по сравнению со сверхновой: она занимает от десятков до сотен тысяч лет, а не от секунд до минут, но этого все же достаточно, чтобы удержать почти все тепло от ядра звезды внутри. Большая разница в том, что вместо того, чтобы удерживать его внутри сферы диаметром всего 10 миль или около того, тепло удерживается в объекте «всего» размером с Землю или примерно в тысячу раз больше, чем нейтронная звезда.
Это означает, что, хотя температура этих белых карликов может быть очень высокой - более 20 000 K, или более чем в три раза выше температуры нашего Солнца они остывают намного быстрее нейтронных звезд.
Выброс нейтрино в белых карликах незначителен, а это означает, что единственным существенным эффектом является излучение через поверхность. Когда мы вычисляем, как быстро тепло может уйти, излучаясь, это приводит к временной шкале охлаждения для белого карлика (подобного тому, который будет производить Солнце) примерно от 10 ^ 14 до 10 ^ 15 лет. И это всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля!
Это означает, что примерно через 10 триллионов лет, или «всего» примерно в 1000 раз превышающий нынешний возраст Вселенной, температура поверхности белого карлика понизится настолько, что она выйдет за пределы Режим видимого света. Когда пройдет столько времени, во Вселенной появится объект совершенно нового типа: черный карликзвезда.
Нет, Стив, мне жаль вас разочаровывать, но сегодня вокруг нет черных карликов. Вселенная просто слишком молода для этого. Фактически, самые холодные белые карлики, по нашим оценкам, потеряли менее 0,2% своего общего тепла с тех пор, как в этой Вселенной были созданы самые первые из них. Для белого карлика, созданного при температуре 20 000 К, это означает, что его температура по-прежнему составляет не менее 19 960 К, что говорит нам о том, что нам предстоит пройти ужасно долгий путь, если мы ждем истинного темная звезда
Забавно, что мы думаем о нашей Вселенной как о замусоренной звездами, сгруппированных в галактики, разделенных огромными расстояниями. К тому времени, когда появится первый черный карлик, наша местная группа сольется в единую галактику (Милкдромеда), большинство звезд, которые когда-либо будут жить, уже давно сгорят, а выживут исключительно самые маломассивные, самые красные и самые тусклые звезды из всех.
Кроме того, все остальные галактики за пределами нашей навсегда исчезнут из нашей досягаемости благодаря темной энергии. Шансы на жизнь во Вселенной будут на исходе, а звезды (и звездные трупы) начнут выбрасываться из нашей галактики из-за гравитационных взаимодействий быстрее, чем образуются новые звезды.
И все же среди всего этого впервые возникнет новый тип объекта. Несмотря на то, что мы никогда не увидим и не испытаем их на себе, мы знаем о природе достаточно, чтобы знать не только то, что они будут существовать, но и то, как и когда они появятся. И это само по себе является одной из самых удивительных частей науки!
Есть вопрос или предложение для Ask Ethan? Отправьте его сюда на рассмотрение.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме и поддержите Starts With A Bang на Patreon!