Спросите Итана №98: когда погаснут звёзды?

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-98-when-will-the-stars-go-dark-9f975e7ddb99#.y33xrwurm
  • Перевод
Каждую неделю вы присылаете вопросы и предложения в мою рубрику, и на этой неделе было много отличных кандидатов, но я выбрал самый короткий и милый вопрос, но и одновременно самый глубокий. Задаёт его Стив:
Сколько времени потребуется звёздам, чтобы остынуть после того, как они израсходуют своё ядерное топливо? Будут ли у нас «чёрные карлики»? Есть ли они сегодня?

Начнём разговор с жизни звёзд и пройдёмся по ней до самого конца, чтобы подробно изучить этот момент.



Когда облака молекулярного газа коллапсируют под воздействием гравитации, всегда находятся регионы чуть более плотные, чем другие. Каждая часть пространства, где есть материя, пытается привлечь всё больше материи, но эти сверхплотные регионы привлекают материи больше остальных.

Поскольку гравитационный коллапс – процесс стремительный и неконтролируемый, то чем больше материи вы привлекаете, тем быстрее привлекается дополнительная материя. И хотя у большого и рассеянного облака могут уйти миллионы и десятки миллионов лет на превращение в плотный объект, процесс перехода от простого сколлапсированного состояния плотного газа до нового звёздного скопления – где самые плотные регионы зажигают в своих недрах реакции синтеза – проходит всего за несколько сотен тысяч лет.



В новом звёздном скоплении легче всего заметить самые яркие звёзды, которые будут и самыми массивными. Это самые яркие, голубые и горячие из существующих звёзд, их масса в сотни раз превышает массу Солнца, а яркость – в миллионы. Но, несмотря на то, что это самые выдающиеся звёзды, они ещё и самые редкие, и составляют гораздо меньше 1% от всех известных. Также это самые быстроживущие звёзды, так как они сжигают всё ядерное топливо всего за 1-2 миллиона лет.



Когда топливо у этих самых ярких звёзд кончается, они погибают в потрясающем взрыве сверхновой II типа. В этот момент внутреннее ядро схлопывается до нейтронной звезды (в случае ядер малой массы) или даже до чёрной дыры (для массивных ядер), а внешние слои выбрасываются в межзвёздную среду. Там обогащённые газы создадут следующие поколения звёзд, обеспечивая тех тяжёлыми элементами для создания каменистых планет, органических молекул, а в очень редких и чудесных случаях – жизнь.



Чёрные дыры, по определению, сразу становятся чёрными. Они становятся такими практически мгновенно, за исключением окружающих их аккреционных дисков и низкотемпературного излучения Хокинга.

Но нейтронные звёзды – это совсем другой коленкор.



Нейтронная звезда собирает всю энергию в ядре звезды и коллапсирует чрезвычайно быстро. Если что-либо очень быстро сжать, его температура повысится – так работает поршень в дизельном двигателе. Коллапс ядра звезды до нейтронной звезды – наверно, предельный пример быстрого сжатия. За несколько секунд или минут ядро из железа, никеля, кобальта, кремния и серы диаметром во много сотен тысяч километров сжимается до шарика размером не более 16 км. Его плотность увеличивается в квадриллион раз, в 1015, а температура растёт до 1012 К в центре и до 106 К на поверхности.

И вот тут появляется проблема.



Вся эта энергия хранится в сколлапсировавшей звезде, и её поверхность такая горячая, что звезда не только светится светло-голубым светом в видимой части спектра, но и излучает в невидимом рентгеновском диапазоне (даже не ультрафиолете)! В этом объекте заключено безумное количество энергии, но выпускать её во Вселенную он может только через поверхность, которая весьма мала.

Вопрос в том, сколько времени уйдёт у нейтронной звезды на охлаждение? Ответ зависит от той части физики нейтронных звёзд, которая на практике не очень изучена: охлаждения нейтрино! Видите ли, если фотоны (излучение) хорошо поглощаются обычной, барионной материей, нейтрино могут беспрепятственно проходить сквозь нейтронную звезду. В самом быстром случае нейтронные звёзды могут остыть и скрыться из видимой части спектра за 1016 лет, то есть «всего лишь» за время, в миллион раз большее возраста Вселенной. Но в медленных случаях это может занять от 1020 до 1022 лет – то есть, придётся немного подождать.

Но есть и другие звёзды, становящиеся чёрными быстрее.



Большинство звёзд – 99% с хвостом – не становятся сверхновыми, а в конце жизни медленно сжимаются до белых карликов. Медленно это происходит только по сравнению со сверхновыми: это занимает десятки и сотни тысяч лет, а не секунды и минуты, но это всё равно достаточно быстро для того, чтобы сохранить всё тепло ядра звезды. Разница в том, что вместо заключения её в сфере диаметром в 16 км, тепло заключено в объекте размером «всего лишь» с Землю, то есть в тысячу раз большем.

Это значит, что хотя температуры белых карликов могут быть большими – более 20 000 К, то есть, в три раза больше, чем у Солнца – они остывают гораздо быстрее нейтронных звёзд.



Излучение нейтрино для белых карликов пренебрежимо мало, то есть основное излучение идёт с поверхности. При подсчёте того, как быстро тепло может покинуть тело через излучение, получается, что белые карлики (такие, какой получится из Солнца), остынут примерно за 1014 — 1015 лет. Это время уйдёт на остывание до нескольких градусов выше абсолютного нуля.

Это значит, что после примерно 10 триллионов лет, или «всего лишь» в 1000 раз дольше текущего возраста Вселенной, температура поверхности белого карлика упадёт так, что он перестанет быть видимым. По истечению этого времени во Вселенной появятся совершенно новые объекты: чёрные карлики.



Так что придётся разочаровать тебя, Стив, сегодня чёрных карликов не существует. Вселенная слишком молода для них. Самые холодные из белых карликов, по нашим подсчётам, потеряли не более 0,2% всей энергии с тех пор, как самые первые из них появились во Вселенной. То есть, для белого карлика с температурой в 20 000 К это значит, что его температура упала до 19 960 К, и до тёмной звезды ему ещё очень далеко.

Забавно, как мы представляем нашу Вселенную, наполненную светящимися звёздами, собранными вместе в галактики, разделённые огромными пространствами. К тому времени, когда появится первый чёрный карлик, наша группа галактик объединится в одну единую, Милкдромеду, большинство звёзд, которые когда-либо возникнут, уже отгорят своё, а оставшиеся будут иметь наименьшую массу, и будут самыми красными и тусклыми из всех.



Кроме этого, все остальные галактики покинут пределы нашей досягаемости, благодаря тёмной энергии. Шансы на существование жизни будут крайне малы, и звёзды вместе со звёздными трупами начнут вылетать из галактики из-за гравитационных воздействий быстрее, чем будут формироваться новые.

И на этом фоне, тем не менее, впервые за долгое время появятся новые объекты. И хотя мы никогда не сможем увидеть и воспринять такой объект, о природе мы знаем достаточно для того, чтобы знать не только о том, что они будут существовать, но и о том, как и когда они появятся. И само по себе это – одно из самых удивительных свойств науки!
Поделиться публикацией
Комментарии 19
    +1
    Когда-нибудь я обязательно прочитаю все эти статьи от «Спросите Итана» )
      +2
      Прочитать и понять)
        0
        Пора уже начинать, чего копить-то.
          0
          Читать по диагонали не хочется, а на со смыслом, с толком, с расстановкой времени не хватает
        +8
        Как тут не вспоминить:
        Айзек Азимов. Последний вопрос
        http://lib.ru/FOUNDATION/question.txt
          0
          А что происходит с красными карликами в конце жизни? С ходу не нагугливается.
            0

            Они вроде бы не коллапсируют, а должны превращаться в голубых карликов, но вроде как времени еще не прошло столько, чтобы хоть один красный стал голубым. Голубые же карлики медленно остывают до белых.

              0
              Когда горение водорода (pp-процесс) в красном карлике заканчивается (а это занимает до 100 триллионов лет) он тупо остывает и сжимается в некое подобие коричневого карлика: для более интересных эффектов не хватает температуры ядра на основной стадии жизни.
                0
                Википедия:
                Со временем они постепенно сжимаются и всё больше нагреваются, пока не израсходуют весь запас водородного топлива, и постепенно превращаются в голубые карлики, а затем — в белые карлики с гелиевым ядром. Но с момента Большого взрыва прошло ещё недостаточно времени, чтобы красные карлики смогли сойти с главной последовательности.
                0
                А процесс испарения атмосферы остывание не ускорит? Наиболее энергичные атомы будут улетать от звезды, тем самым ее охлаждая.
                  +1
                  Гравитация их быстро вернет на место, если вообще позволит вылететь.
                    0
                    По распределению Максвелла, какая-то часть должна иметь скорость больше второй космической, они то и будут уносить энергию.
                      0
                      Таких почти не будет — т.к. 2я космическая для белых карликов это минимум тысячи км/с для легких и вплоть до сравнимых со скоростью света для самых тяжелых карликов.
                      Да и газа там как такового нет, как и отдельных атомов/молекул, при такой гравитации и плотности материи уже сплошная электронно-ядерная плазма к которой распределение Максвелла неприменимо. Надо с учетом квантовых эффектов считать. Распределение описывается статистикой Ферми-Дирака
                        0
                        Это же всё очень легко оценить. Вторая космическая скорость на поверхности белого карлика порядка 10^6 м/с. Такой скоростью при температуре 10000 К обладает доля атомов exp(-10^4)=10^(-4000) (это если брать водород, если брать гелий, то там их ещё гораздо меньше). С учётом того, что в белом карлике содержится всего порядка 10^57 атомов, это означает, что за время жизни Вселенной в белом карлике может вообще не найтись атома, который смог бы вылететь с его поверхности.
                    –4
                    Автор статьи забыл о работе процесса бытия, который увеличивает объём пространства материи физического вакуума на Объёмную Постоянную Хаббла: 6,591*10^-18 в секунду. На ту же относительную величину увеличивается и совокупная масса вещества вселенной.
                    Следовательно, в веществе всех малых и больших объектов, включая астероиды, планеты, звёзды, ядра галактик ежесекундно в грамме их вещества работа процесса бытия рождает приблизительно 4 миллиона новых нейтронов. Этого вполне достаточно, чтобы масса этих объектов удваивалась каждые 3,33 миллиардов лет, но и чтобы полностью обеспечивать светимость звёзд, подобных Солнцу вследствие деления не захваченных ядрами атомов новых фотонов на протон, электрон и фотон с общей энергией кинетического движения протона, электрона и фотона 782000 электрон-вольт.
                    В энергетике Земли рождение нейтронов увеличивает массу Земли. А тепловое излучение от нейтронного механизма в десятки миллионов раз меньше на единицу массы, чем излучение Солнца. Значит, ядра атомов вещества Земли, состоящего в основном из тяжёлых элементов (от лития, бериллия и далее), поглощают почти все нейтроны, рождаемые процессом бытия и ещё поглощают почти всю энергию, выделяющуюся от деления не захваченных нейтронов для обеспечения связи нуклонов в ядрах атомов железа и более тяжёлых элементов.
                    Каждый здравомыслящий человек может проверить эти данные. Надо лишь знать Линейную Постоянную Хаббла (2,197*10^-18 в секунду), Число Авогадро, массу Солнца и Земли, энергию деления нейтрона на протон, электрон и фотон.
                    А рождение звёзд вследствие сгущения газопылевых облаков не является основным, более вероятно, что газопылевые облака вокруг скоплений «молодых» звёзд является продуктом диссипации в космос газов атмосфер планет и звёзд, от вспышек на звёздах, следствие потоков вещества звёздного ветра и т.д. Основной путь — вырастание массы планет до массы звёзд.
                    Звёзды никогда не остынут, а лишь вырастут в ядра галактик, ядра галактик вырастут в гипотетические Космические Аттракторы, которые от нас расположены на расстоянии в несколько сотен миллиардов — триллионах световых лет и потому излучения от этих объектов не могут нас достичь из-за предела горизонта событий (наш горизонт событий не дальше от нас, чем 14 миллиардов лет — скорость удаления от нас нашего горизонта событий, вследствие роста объёма пространства, равен или выше скорости света).
                      +1
                      Сдаётся мне, что-то вы поняли не так
                        0
                        Забористо! А есть еще такого же?
                        0
                        Вы пишете какую-то ерунду.
                        Звезды не могут вырасти в ядра галактик: они теряют энергию, а следовательно массу. Вы путаете горизонт событий (атрибут черных дыр) и понятие видимой вселенной.
                        Судя по всему, вы сторонник каких-то альтернативных теорий, так что, наверное, вас не переубедить.

                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                      Самое читаемое