Когда звезды совсем погаснут?

27 Июля 2015 в 10:30, Илья Хель 8 942 просмотра 8

Звезды

Сколько времени нужно звездам, чтобы остыть после того, как они исчерпают свое ядерное топливо? Когда появятся какие-нибудь «черные» карлики? Существуют ли они сегодня? Эти вопросы хотя бы раз в жизни приходят в голову каждому человеку. Давайте начнем с разговора о жизни звезд и пройдем весь путь от их рождения к смерти.

Когда облако молекулярного газа коллапсирует под действием собственной силы тяжести, всегда есть несколько регионов, которые начинают с чуть большей плотности, чем другие. Каждая точка в этой материи изо всех сил пытается притянуть больше другой материи к себе, но эти регионы сверхплотности притягивают материю чуть эффективней других.

Поскольку гравитационный коллапс — это протекающий процесс, чем больше материи вы привлекаете, тем быстрее дополнительная материя стремится к вам. Хотя могут потребоваться миллионы или даже десятки миллионов лет, чтобы молекулярное облако перешло от большого диффузного состояния в относительно сжатое, процесс перехода от состояния плотно сжатого газа к новому скоплению звезд — когда в самых плотных регионах начинается ядерный синтез — занимает всего несколько сотен тысяч лет.

Звезды

При создании нового скопления (кластера) звезд, проще всего заметить сначала самые яркие, они же более массивные. Эти яркие, голубые, горячие звезды в сотни раз превышают Солнце по массе и в миллионы — по светимости. Но несмотря на то, что эти звезды впечатляют пуще остальных, их также очень мало, меньше 1% от всех известных полноценных звезд, и живут они тоже недолго, так как их ядерное топливо выгорает за 1-2 миллиона лет.

Когда у этих ярчайших звезд заканчивается топливо, они умирают в красочном взрыве сверхновой II типа. Когда это происходит, внутреннее ядро взрывается, коллапсирует до нейтронной звезды (для ядер с низкой массой) или даже до черной дыры (для ядер высокой массы), в то время как внешние слои выходят обратно в межзвездную среду. Там эти газы будут вносить свой вклад в будущие поколения звезд, предоставляя им тяжелые элементы, необходимые для создания твердотельных планет, органических молекул и, в редких случаях, жизни.

Черные дыры по определению сразу становятся черными. В отличие от аккреционного диска, их окружающего, и чрезвычайно низкотемпературного излучения Хокинга, вытекающего с горизонта событий, черные дыры практически сразу после коллапса ядра становятся сущей тьмой.

Звезды

А вот с нейтронными звездами другая история.

Видите ли, нейтронная звезда забирает всю энергию в ядре звезды и коллапсирует чрезвычайно быстро. Когда вы что-то берете и быстро это сжимаете, вы вызываете внезапный рост температуры: так работает поршень дизельного двигателя. Коллапс звездного ядра до нейтронной звезды может быть самым мощным примером быстрого сжатия. За секунды-минуты ядро из железа, никеля, кобальта, кремния и серы на много сотен или тысяч километров в диаметре коллапсирует до шарика диаметром порядка 16 километров. Его плотность вырастает в квадриллион раз (10^15), температура тоже существенно повышается: до 10^12 градусов у ядра и до 10^6 градусов на поверхности.

И вот в чем проблема.

Когда вся эта энергия заключена в коллапсирующей звезде вроде этой, ее поверхность становится настолько горячей, что светится только голубовато-белым цветом в видимой части спектра, однако большую часть ее энергии не видно даже в ультрафиолете: это рентгеновская энергия. В этом объекте хранится чрезвычайно много энергии, но единственный способ выпустить ее во Вселенной — через поверхность, а площадь поверхности мала.

Звезды

Большой вопрос, конечно, в том, как долго понадобится нейтронной звезде, чтобы остыть. Ответ зависит от аспекта физики, который плохо понятен в случае нейтронных звезд: нейтринное охлаждение. Видите ли, хотя фотоны (излучение) обычно улавливаются нормальной барионной материей, нейтрино при генерации могут проходить через всю нейтронную звезду нетронутыми. В лучшем случае нейтронные звезды могут остыть через 10^16 лет, что «всего» в миллионы раз больше возраста Вселенной. В худшем случае потребуется от 10^20 до 10^22 лет, а значит, придется подождать.

Есть и другие звезды, которые погаснут быстрее.

Видите ли, подавляющее большинство звезд — оставшиеся 99% — не становятся сверхновыми, а в процессе своей жизни медленно усыхают до белых карликовых звезд. «Медленно» в нашем случае — это только по сравнению со сверхновыми: потребуются десятки или тысячи лет, а не секунды-минуты, но это достаточно быстро, чтобы уловить почти все тепло звезды в ядре. Разница в том, что вместо того, чтобы улавливать ее в сфере диаметром 15 километров или около того, это тепло будет сосредоточено в объекте размером с Землю, в тысячу раз больше нейтронной звезды.

Звезды

Это означает, что хотя температура таких белых карликов может быть очень высокой — более 20 000 градусов, в три раза горячее нашего Солнца — остывают они намного быстрее, чем нейтронные звезды.

В белых карликах нейтрино утекают незначительно, а это значит, что излучение с поверхности будет единственным важным эффектом. Когда мы рассчитываем, как быстро может улетучиться тепло, это приводит нас к срокам охлаждения белого карлика в 10^14 или 10^15 лет. После этого карлик остынет до температуры чуть выше абсолютного нуля.

Это означает, что через 10 триллионов нет (что в 1000 раз дольше времени существующей Вселенной) поверхность белого карлика остынет до температуры, которую уже будет не разглядеть в видимом световом режиме. И когда это время пройдет, во Вселенной появится совершенно новый тип объекта: черная карликовая звезда.

Звезды

Так что пока во Вселенной черных карликов нет, она слишком молода для этого. Более того, самые холодные белые карлики, по нашим лучшим оценкам, потеряли меньше 0,2% от их полного тепла с момента создания. А для белого карлика температурой в 20 000 градусов это будет означать падение температуры до 19 960 градусов, то есть незначительное.

Забавно представлять нашу Вселенную, наполненную звездами, которые объединены галактиками, разделенными гигантскими расстояниями. К тому времени, когда появится первый черный карлик, наша местная группа сольется в одну галактику, большая часть звезд выгорит, останутся лишь маломассивные красные и тусклые звезды.

Звезды

Кроме того, каждая другая галактика за пределами нашей собственной навсегда исчезнет из зоны нашей досягаемости, благодаря темной энергии. Шансы на появление жизни в нашей Вселенной будут уменьшаться, а трупики звезд будут выбрасываться из нашей галактики вследствие гравитационных взаимодействий быстрее, чем будут образовываться новые.

И все же среди этого всего родится новый объект, которого пока наша Вселенная не знала. Даже если мы никогда не увидим его, мы знаем, какова будет его природа, как и почему он появится. И это, уже само по себе, остается удивительной способностью науки.

Черный карлик

Когда звезды совсем погаснут?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

8 комментариев

  1. Sagittarius A*

    В YouTube есть об этом фильм, так и называется- Звезды (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  2. nergaveechka

    увы сплошная теория, да к тому же построенная на теориях, которые в свою очередь построены на.... и ТД. а статья очень даже, очень гармоничная, хоть и небольшая.

    • Sommer

      очередной человек, не понимающий смысла слова "теория".

    • Sommer

      Да, это теория, однако ученые вкладывают в это слово не тот смысл, который вкладывают в него большинство простых смертных. Мы с вами можем называть теорией предположение о том, что от поедания горбушек хлеба дети быстрее растут — "эй, это моя теория!". Эта "теория" даже не обязательно должна быть правдивой.

      Однако научная теория — это всеобъемлющее объяснение ряда феноменов. Все начинается с предположения (может быть, поедание горбушек действительно ускоряет рост детей?), однако до тех пор, пока не будут найдены убедительные доказательства, предположение не продвинется на следующий уровень научного метода — собственно, до теории.

  3. storm X

    да. мне такое в голову лезет перед сном прям..каждый раз..хочу думать о причине распада австро-Венгрии. а тут это. на тебе! сконцентрироваться не дает и уснуть..уж лучше квантовая физика)

  4. SuperStarSieve

    "В лучшем случае нейтронные звезды могут остыть через 10^16 лет, что «всего» в миллионы раз больше возраста Вселенной. В худшем случае потребуется от 10^20 до 10^22 лет, а значит, придется подождать."
    Так может лучше дольше ждать, чем когда конец близок, а мы еще не готовы... Хотя, это такое кол-во времени, за которое мы уже сможем покинуть эту вселенную, если, конечно, мультивселенная существует. Более того, мы можем сами создать вселенные, если захотим. Мы сможем сделать эту вселенную вечной, если не найдем "выхода". Короче, в любом случае, нам нечего бояться пока что. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  5. nomad62

    Спасибо

  6. nomad62

    Скорее всего в итоге останутся черные дыры (т.к. "излучение Хоккинга" - явление суть гипотетическое)
    Они будут гоняться друг за дружкой по Вселенной и сливаться - еще гугол лет.
    Пока не останутся две сверх-гипер-мега-архимассивные ЧД
    А, когда сольются и они, масса итоговой ЧД превысит некую точку бифуркации и вся материя, которая находится в ней в состоянии сингулярности - снова изольется в новую Вселенную
    Жаль только жить в эту пору прекрасную - уж не придется ни мне, ни тебе...

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.