Na
ten tekst natknąłem się przypadkowo na FB. Nie znam autora, ale zapewne nie
miałby nic przeciwko jego upowszechnieniu, skoro go tam umieścił. A oto i on:
Badania
naukowe
Wyobraźcie sobie gwiazdę, która
gaśnie tak wolno, że potrzebuje więcej czasu niż obecny wiek Wszechświata!
Czarne karły to kosmiczne
relikty, które teoretycznie powstaną z białych karłów po niewyobrażalnie długim
czasie stygnięcia. Obecnie żaden czarny karzeł jeszcze nie istnieje, bo
Wszechświat jest za młody, ale fizycy już wiedzą, co będzie się z nimi działo.
Streszczenie
Post przedstawia fascynującą
podróż przez biliony lat ewolucji czarnych karłów - od momentu ich powstania z
białych karłów, przez kolejne etapy stygnięcia i krystalizacji wnętrza, aż po hipotetyczny
rozpad protonów. Opisuje procesy wewnętrzne i zewnętrzne zachodzące w tych
egzotycznych obiektach, podając czasy trwania poszczególnych faz ewolucji oraz
zmiany składu chemicznego i struktury wewnętrznej.
Narodziny czarnego karła (10^15
lat od powstania białego karła) Biały karzeł staje się czarnym karłem, gdy jego
temperatura powierzchniowa spadnie poniżej około 3000 Kelwinów (K) i przestaje
świecić w zakresie widzialnym. To zajmuje kwadrylion lat! W tym momencie obiekt
składa się głównie z węgla i tlenu w formie supergęstej materii zdegenerowanej.
Gęstość wynosi około milion gramów na centymetr sześcienny. Wnętrze stanowi
kryształowa sieć jonów węgla i tlenu zanurzona w morzu zdegenerowanych
elektronów.
Faza
krystalizacji kompletnej (10^15 - 10^16 lat)
Przez kolejne 9 kwadrylionów lat
czarny karzeł powoli krystalizuje od środka na zewnątrz. Proces ten uwalnia
ciepło utajone, spowalniając stygnięcie. Kryształy węgla układają się w
strukturę podobną do diamentu, ale o gęstości milion razy większej. Zewnętrzna
warstwa pozostaje jeszcze częściowo płynna, ale stopniowo zamienia się w stały
kryształ. Temperatura powierzchni spada do około 1000 K.
Era
głębokiego chłodu (10^16 - 10^20 lat)
Przez następne dziesiątki
trylionów lat czarny karzeł staje się lodowatą kulą materii zdegenerowanej.
Temperatura powierzchni spada poniżej 100 K czyli -173°C. Wnętrze to teraz
jednolity kryształ węglowy z domieszkami cięższych pierwiastków. Kwantowe
fluktuacje elektronów zdegenerowanych generują minimalne ilości ciepła,
utrzymując temperaturę kilku Kelwinów. Obiekt praktycznie nie emituje żadnego
promieniowania elektromagnetycznego.
Epoka
tunelowania kwantowego (10^24 - 10^34 lat)
W tej niewyobrażalnie długiej
fazie zachodzą powolne reakcje fuzji poprzez tunelowanie kwantowe. Jądra węgla
bardzo rzadko łączą się, tworząc cięższe pierwiastki. Proces ten generuje
śladowe ilości energii, podtrzymując temperaturę rzędu ułamków Kelvina. Po
około 10^100 latach cały węgiel przekształca się w żelazo-56, najbardziej
stabilny izotop. Czarny karzeł staje się gigantyczną kulą żelaza – vide gwiazda
żelazna u prof. Jefriemowa z
„Mgławicy Andromedy”.
Stadium
żelaznej kuli (10^34 - 10^36 lat)
Czarny karzeł jest teraz zimną
kulą żelaza o temperaturze bliskiej zera absolutnego - -273°C. Jedynym źródłem
energii pozostaje rozpad kwantowy cząstek i promieniowanie Hawkinga od
mikroskopijnych czarnych dziur, które mogły powstać w jego wnętrzu. Struktura
krystaliczna żelaza pozostaje stabilna przez niepojęte okresy czasu.
Rozpad
poprzez piknonuklearne reakcje (10^35 - 10^37 lat)
Ekstremalnie rzadkie reakcje piknonuklearne
(piko [p] 10^-6) powoli przekształcają żelazo w nikiel-62, a następnie w
jeszcze cięższe pierwiastki. Proces ten trwa tak długo, że liczby opisujące
czas stają się abstrakcyjne. Temperatura utrzymuje się na poziomie nanokelwinów
dzięki energii z rozpadu cząstek.
Finał:
Rozpad protonów (po 10^32 - 10^40 lat)
Jeśli protony rzeczywiście się
rozpadają (co nie jest pewne), czarny karzeł zacznie powoli parować. Protony rozpadają
się na pozytony i piony, uwalniając energię. Proces ten zajmie około 10^40 lat.
Elektrony anihilują z pozytonami, produkując fotony (kwanty gamma - γ).
Ostatecznie czarny karzeł całkowicie wyparuje, pozostawiając po sobie tylko
promieniowanie i cząstki elementarne rozproszone w przestrzeni.
Procesy
zewnętrzne podczas całej ewolucji
Przez cały czas ewolucji czarny
karzeł oddziałuje grawitacyjnie z otoczeniem, może przechwytywać materię
międzygwiazdową i ciemną materię. Zderzenia z innymi obiektami są ekstremalnie
rzadkie, ale w skali czasowej bilionów lat mogą prowadzić do powstania
supernowych typu Ia nawet z zimnych czarnych karłów. Pole magnetyczne stopniowo
zanika, osiągając wartości niemierzalne po około 10^20 latach.
Niesamowita
perspektywa czasowa
Ewolucja czarnych karłów to
historia rozciągnięta na czas tak długi, że obecny wiek Wszechświata (14
miliardów lat) to zaledwie mgnienie oka w porównaniu. Te obiekty będą świadkami
śmierci cieplnej Wszechświata, ery dominacji czarnych dziur i ostatecznego
rozpadu całej materii.
Czy zdajecie sobie sprawę, że
obserwując białe karły dzisiaj, patrzymy na przyszłe czarne karły, które
przetrwają dłużej niż cokolwiek innego we Wszechświecie? Podzielcie się swoimi
przemyśleniami w komentarzach!
Jeśli uważasz że ten post jest
ciekawy to prześlij go dalej i zaobserwuj po więcej wartościowych treści.
Post ma charakter
informacyjno-edukacyjny i nie stanowi rekomendacji inwestycyjnej ani reklamy
produktu czy usługi.
Moje
3 grosze
A jednak nie byłbym tego taki pewny. Pierwsza
rzecz, ta cała ciemna materia w Kosmosie może być właśnie materią czarnych
karłów – klasy widmowej TT i wcale nie musi pochodzić z „naszego” Wszechświata,
a być pozostałością po wszechświatach przed nami albo z wszechświatów, które
skończyły swe istnienie rozpływając się w Multiversum.
Po drugie – dalszy ciąg ewolucji
czarnych karłów mógłby wyglądać tak, że w warunkach niewiarygodnie wysokiego
ciśnienia i upakowania materii mogłoby dojść do syntezy pierwiastków o Z <
200. I zdaje się mamy dowód na ich istnienie, a znajduje się on w Układzie
Słonecznym – a mianowicie jest to supergęsta asteroida 33 Polihymnia, która
może takowe zawierać. Jej gęstość jest większa od najgęstszego pierwiastka nam
znanego – osmu i wynosi 75 g/cm³ - przypominam, że gęstość osmu to 22,5 - 22,6
g/cm³. Zob. https://wszechocean.blogspot.com/2024/01/sekret-33-polihymnii.html. Ale żeby się
całkowicie do tego przekonać, należałoby wysłać tam sondę badawczą… Musiałaby
ona przelecieć odległość 2,87 AU (430,5 mln km) w jedną stronę. Wyprawa na całe
lata, ale to by się opłacało, gdyby faktycznie znajdowały się tam jeszcze
nieznane pierwiastki chemiczne o Z ≥ 150. I już to samo jest
niezwykle ciekawe.
Nie mówiąc już o tym, że byłaby to
bryła materii pochodząca spoza naszego Wszechświata i licząca sobie ponad
10^100 lat. Takie odkrycie pchnęłoby do przodu naszą kosmologię i kosmogonię.
