gov-civil-vilareal.ptSupernovae naine noire : Les dernières explosions dans l'Univers
>Voici une pensée heureuse : l'univers peut se terminer dans un gémissement et un coup. Beaucoup de frange.
Calculs effectués par un astrophysicien indiquent que dans un futur lointain, l'Univers aura des sextillions d'objets appelés naines noires , et qu'ils finissent par exploser comme des supernovae . En fait, ils peuvent représenter les toutes dernières choses que l'Univers peut faire.
Mais cela n'arrivera pas avant longtemps. Un temps très, très, très long*. Si longtemps à partir de maintenant, j'ai du mal à comprendre comment expliquer combien de temps ça va être. Je vais y arriver - votre cerveau sera écrasé par cela, je le promets - mais nous devons d'abord parler un peu des étoiles, de la fusion nucléaire et de la matière.
Des étoiles comme le Soleil libèrent de l'énergie car ils fusionnent des atomes d'hydrogène en atomes d'hélium dans leurs noyaux . C'est très semblable à la façon dont fonctionne une bombe à hydrogène, mais à une échelle massivement plus grande ; le Soleil produit environ l'équivalent d'énergie de cent milliards de bombes d'une mégatonne. Tous seconde .
Finalement, l'hydrogène s'épuise. Beaucoup de choses compliquées peuvent alors se produire en fonction de la taille de l'étoile, de ce qu'elle contient, etc. . Mais pour les étoiles jusqu'à environ 8 à 10 fois la masse du Soleil, les couches externes s'envolent toutes, exposant le noyau à l'espace ; un noyau qui est devenu une boule de matière si bien que des règles étranges de la mécanique quantique entrent en jeu. Il est toujours composé de noyaux atomiques (comme l'oxygène, le magnésium, le néon, etc.) et d'électrons, mais ils sont sous incroyable pressions, les noyaux se touchant pratiquement. Nous appelons un tel matériau matière dégénérée , et l'objet lui-même s'appelle une naine blanche .
La naine blanche la plus proche de nous, Sirius B, a la masse du Soleil mais la taille de la Terre. A titre de comparaison, le Soleil est plus de 100 fois plus large que la Terre. Crédit: ESA et NASA
Pour des stars comme celle-ci, c'est à peu près la fin de la route. Le genre de processus de fusion dont ils ont bénéficié pendant des milliards d'années — thermonucléaire fusion, où (extrêmement simplifié) les noyaux atomiques sont si chauds qu'ils s'entrechoquent et fusionnent - ne peut plus fonctionner. La naine blanche naît très chaude, des centaines de milliers de degrés Celsius, mais sans source de chaleur continue, elle commence à se refroidir.
Ce processus prend des milliards d'années. Les naines blanches qui se sont formées au début de l'Univers sont maintenant suffisamment froides pour être brûlantes, aux alentours de 4 000 ° C.
Mais l'Univers est jeune, il n'a que 14 milliards d'années environ. Sur de très longues périodes de temps, ces naines blanches se refroidiront davantage. Finalement, ils se refroidiront jusqu'au zéro absolu : -273°C. Cela prendra des milliards d'années, sinon quadrillions . Beaucoup plus longtemps que l'Univers n'a déjà existé.
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Mais à ce stade, les objets de matière dégénérée n'émettront aucune lumière. Ils seront sombres, c'est pourquoi nous les appelons naines noires .
Alors c'est ça ? Juste des naines noires assises là, figées, pour toujours ?
Oeuvre représentant une naine noire dans un futur lointain ; une étoile morte qui était autrefois comme le Soleil. C'est quelque peu fantaisiste ; au moment où les naines noires existent, toutes les étoiles de l'Univers devraient également être mortes. Crédit: Baperookamo / Wikimedia Commons / Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International
Eh bien, peut-être pas, et c'est là que les choses commencent à devenir bizarres (oui, je sais, elles sont déjà bizarres, mais il suffit d'attendre quelques paragraphes). Actuellement, les physiciens pensent que les protons, l'une des particules subatomiques les plus élémentaires, peut se décomposer spontanément . En moyenne, cela prend beaucoup de temps. Des preuves expérimentales ont montré que la demi-vie du proton peut être d'au moins 103. 4ans. C'est un billion mille milliards fois plus long que l'âge actuel de l'Univers.
Si c'est vrai, cela signifie que les protons à l'intérieur des noyaux atomiques des naines noires se désintégreront. S'ils le font, alors après un certain temps, 1035ou plus d'années, les naines noires vont… s'évaporer. Pouf. Disparu. À ce stade, tout ce qui restera est encore plus dense étoiles à neutrons et trous noirs .
Oeuvre représentant le champ magnétique entourant une étoile à neutrons. Crédit: Casey Reed / Université Penn State
Mais la désintégration du proton, bien que prédite par la théorie actuelle des particules, n'a pas encore été observée. Et si les protons ne pas pourriture? Que deviennent alors les naines noires ?
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C'est là qu'intervient ce nouveau papier . Il s'avère qu'il existe d'autres effets de la mécanique quantique qui deviennent importants, comme creuser un tunnel . Les noyaux atomiques sont chargés de protons, qui ont une charge positive, de sorte que les noyaux se repoussent. Mais ils sont très proches les uns des autres au centre de la naine noire. La mécanique quantique dit que les particules peuvent soudainement sauter dans l'espace sur de très petites distances (c'est la partie tunnel, et bien sûr c'est beaucoup plus compliqué que mon synopsis trop simple ici), et si un noyau saute assez près d'un autre, kablam! Ils fusionnent, forment un noyau d'élément plus lourd et libèrent de l'énergie.
C'est différent de la fusion thermonucléaire, qui a besoin de beaucoup de chaleur. Ce type n'a pas du tout besoin de chaleur, mais il a besoin d'une très haute densité, c'est pourquoi on l'appelle pycnonucléaire la fusion ( fièrement en grec ancien signifie dense ).
Au fil du temps, les noyaux à l'intérieur de la naine noire fusionnent, très très lentement. La chaleur dégagée est minime, mais l'effet global est qu'ils deviennent encore plus denses. De plus, comme dans les étoiles normales, les noyaux qui fusionnent créent des noyaux plus lourds, jusqu'au fer.
C'est un problème . L'effet qui maintient l'étoile contre sa propre gravité intense est la pression de dégénérescence entre les électrons. Lorsque vous essayez de fusionner du fer, il consomme des électrons. Si suffisamment de fer fusionne, les électrons disparaissent, le support de l'objet s'en va avec et il s'effondre.
Illustration d'une hypernova d'effondrement de noyau, une super-supernova. Crédit: NASA/Dana Berry/Skyworks Digital
Cela arrive aussi avec les étoiles normales. Ils doivent être assez massifs, plus de 8 à 10 fois la masse du Soleil (donc le noyau fait au moins 1,5 fois la masse du Soleil). Mais pour des étoiles comme celles-là, le noyau s'effondre soudainement, les noyaux se brisent et forment une boule de neutrons, ce que nous appelons un étoile à neutrons . Cela libère également un parcelle d'énergie, créant une supernova.
Cela arrivera aussi avec les naines noires ! Lorsque suffisamment de fer s'accumule, ils s'effondrent également et explosent, laissant derrière eux une étoile à neutrons.
Mais la fusion pycnonucléaire est un processus extrêmement lent. Combien de temps cela prendra-t-il avant l'effondrement soudain et le kablooie ?
Oui, j'ai promis plus tôt que j'expliquerais ce nombre. Pour les naines noires de masse la plus élevée, qui s'effondreront en premier, le temps moyen que cela prend est, eh bien, dix1 100ans .
C'est 10 à la puissance 1100e. Écrit, c'est un 1 suivi de onze cents zéros.
Je… je n'ai aucune analogie pour combien de temps cela dure. C'est un nombre trop énorme pour avoir une quelconque signification rationnelle aux pathétiques boules de viande ou aux crânes.
Je veux dire, sérieusement, ici c'est écrit :
affiche de première classe x-men
Je veux dire, allez. 10^1100e puissance écrite. Crédit : Phil Plait
C'est un parcelle de zéros. N'hésitez pas à vous assurer que j'ai le bon numéro.
J'ai essayé de le décomposer en unités plus petites qui ont du sens, mais allez. L'un des plus grands nombres que nous avons nommés est un googol , soit 10100, un un suivi de 100 zéros.
Le nombre ci-dessus est un googolOnze, un googol à la 11e puissance.
Et ce sont les naines noires qui vont première . Les masses les plus faibles prennent beaucoup plus de temps.
Encore combien de temps? Je ne suis pas très content que vous ayez demandé. Ils s'effondrent après environ 1032 000ans.
Ce n'est pas une faute de frappe. C'est dix puissance trente-deux millième. Un avec 32 000 zéros après .
Alors ok.
Je noterai que c'est pour les étoiles qui commencent plus massives que le Soleil. Les étoiles comme la nôtre ne sont pas assez massives pour lancer la fusion pycnonucléaire - elles n'ont pas assez de masse pour presser le noyau dans la densité nécessaire - alors quand elles se transforment en naines noires, c'est à peu près tout. Après, plus rien.
En supposant que les protons ne se désintègrent pas, je le note à nouveau. Ils le font probablement, alors peut-être que tout cela ne fait que jouer avec la physique sans résultat réel que nous puissions voir (pas que nous soyons là de toute façon). Ou peut-être que nous nous trompons sur les protons, et dans cet avenir incroyablement lointain, l'Univers sera composé d'étoiles à neutrons, de trous noirs, de naines noires de faible masse comme le Soleil et de quelque chose comme un sextillion de naines noires qui s'effondreront un jour et exploseront.
Une simulation de ce à quoi ressemblerait un trou noir avec un disque de gaz tourbillonnant autour de lui, étant donné les effets bizarres de sa gravité féroce sur la lumière du disque. Crédit: Centre de vol spatial Goddard de la NASA/Jeremy Schnittman
Trous noirs, je note, s'évaporer aussi , et le dernier d'entre eux devrait disparaître dans moins d'un an. Si tel est le cas, les supernovae naines noires pourraient être les derniers événements énergétiques que l'Univers puisse rassembler. Après, plus rien. Mort par la chaleur. Froid infini pour un temps infini.
Oh hé, c'est de pire en pire. L'Univers est en expansion, mais la partie que nous pouvons voir, le observable Univers, est en fait en train de rétrécir. Cela a à voir avec l'énergie noire et l'expansion accélérée de l'Univers, que j'ai expliquée ailleurs . Mais au moment où les naines noires commenceront à exploser, l'Univers que nous pouvons voir aura rétréci à la taille de notre propre galaxie. Eh bien, ce qu'il en reste d'ici là. Il y a de fortes chances que les naines noires soient dispersées si loin d'ici là que nous n'en aurons même plus une dans notre cadre observable.
C'est une arnaque. On pourrait penser qu'attendre aussi longtemps serait payant.
à tous les garçons que j'aimais avant les médias de bon sens
Alors pourquoi passer en revue les mouvements pour calculer tout cela ? Je pense en fait que c'est une bonne idée. D'une part, la science n'est jamais gaspillée. Il est possible que tout cela soit juste.
En outre, le fait de faire le calcul pourrait donner des résultats secondaires intéressants, des choses qui ont des implications pour l'ici et maintenant qui pourraient être observables (comme la désintégration des protons). Il pourrait y avoir des avantages tangibles.
Mais vraiment, pour mon argent, cet acte d'imagination spectaculaire est ce qu'est la science. Pousser les limites! Dépassez les limites ! Demandez : « Quelle est la prochaine étape ? Que se passe-t-il après ?' Cela élargit nos frontières, repousse nos limites et libère le cerveau – dans les limites de la physique et des mathématiques connues – pour poursuivre des voies autrement inconnues.
Chercher la vérité peut être un chemin difficile, mais cela mène à la compréhension, et il y a de la beauté là-dedans.
* Cela renvoie à un article écrit par mon collègue de SYFY WIRE, Jeff Spry, sur ce sujet lorsqu'il est sorti pour la première fois il y a quelque temps. Il en donne un bon résumé, mais après avoir lu l'article moi-même, j'ai voulu approfondir. Et, pour être honnête, je pourrais écrire un article trois fois plus long sur ce sujet. Il se passe beaucoup de choses ici.
