Przejdź do treści

Supernowe wywołane kolapsem czarnych karłów mogą być ostatnimi spektakularnymi zjawiskami we Wszechświecie

W bardzo odległej przyszłości po tym jak ustanie proces powstawania gwiazd Wszechświat będzie wypełniony z rzadka zdegenerowanymi pozostałościami po ich ewolucji takimi jak czarne dziury, gwiazdy neutronowe, białe karły. Większość z nich będą stanowiły białe karły, które wychłodzą się i zamarzną (krystalizacja) jako czarne karły. Źródło: NASA’s Goddard Space Flight Center / S. Wiessinge.

Może istnieć jeszcze jeden rodzaj supernowych, które w języku angielskim określa się jako black dwarf supernovae. W niewyobrażalnie odległej przyszłości w latach liczonych wielokrotnościami „gugola”, niektóre czarne karły (ang. black dwarfs), czyli zamarznięte białe karły (końcowy efekt ewolucji małomasywnych gwiazd), zaczną wybuchać jako supernowe, zapewniając widowiskowe fajerwerki wszechczasów. Jest to wniosek z najnowszych analiz teoretycznych, w których próbuje się też nadać sens fizyczny liczbom możliwym do zapisania tylko na wielu kartkach papieru - zabawny eksperyment myślowy.

Od dawna astronomowie zastanawiają się na ostatecznym losem Wszechświata. Znane prawa fizyki sugerują, że za jednego googola lat od teraz (1 googol, czytaj 'gugol' = 10100 = jedynka, po której następuje 100 zer), ustaną narodziny nowych gwiazd, galaktyki pogrążą się w ciemności, a nawet czarne dziury wyparują poprzez proces emisji promieniowania Hawkinga, pozostawiając tylko cząstki subatomowe i energię. Rozszerzanie schłodzi Wszechświat do temperatury niemal bliskiej zeru absolutnemu (0 K) – powodując jego „śmierć cieplną”.

Wiosną bieżącego roku fizyk-teoretyk Matt E. Caplan, prowadzący kurs astrofizyki na Uniwersytecie Illinois, zdał sobie sprawę, że w ewolucji Wszechświata pominięto jedną klasę obiektów. Po wyczerpaniu się paliwa jądrowego, małomasywne gwiazdy takie jak Słońce nie doświadczają wybuchu supernowej. Raczej spokojnie odrzucają zewnętrzne warstwy i pozostają po nich centralne jądra wielkości Ziemi, zwane białymi karłami.

Są to takie „rondelki” zdjęte z kuchenki gazowej  – powiedział M. E. Caplan – które coraz bardziej się chłodzą, w zasadzie przez wieczność.

W białych karłach siła grawitacji jest równoważona przez siłę zwaną ciśnieniem zdegenerowanych elektronów. Prawa mechaniki kwantowej zabraniają elektronom we wnętrzu białego karła zajęcia mniejszej objętości, gdy już są zajęte wszystkie stany energetyczne o dopuszczalnej energii.

Cząsteczki w białym karle pozostają uwięzione w siatce krystalicznej, wypromieniowując ciepło przez tysiące miliardów lat, czyli znacznie dłużej niż istnieje Wszechświat. Ostatecznie schłodzą się niemal do zera absolutnego, stając się czarnymi karłami.

Wewnątrz czarnych karłów niewiele się dzieje ze względu na brak energii, która mogłaby wywołać reakcje jądrowe. Fuzja, czyli połączenie się naładowanych elektrycznie jąder atomowych wymaga pokonania potężnych sił odpychania elektrostatycznego. Jednak uwzględniając wręcz nieograniczenie długi okres czasu, mechanika kwantowa pozwala na przenikanie w wyniku tunelowania cząstek przez barierę potencjału (skala czasowa zjawiska ~101500 lat!). Oznacza to, że wewnątrz czarnych karłów nadal może zachodzić fuzja, aczkolwiek w ekstremalnie małym tempie.

Synteza żelaza w czarnych karłach zachodzi w wyniku reakcji pycnonuklearnych. Ten termin brzmi zagadkowo, ale teoria tych procesów jest tak „stara”, jak wiodące teorie procesów termojądrowych. Terminem reakcje pycnonuklearne określa się reakcje jądrowe zachodzące w ekstremalnych gęstościach (od łac. pycnos – gęsty, zwarty, kompaktowy). Reakcje pycnonuklearne nie wymagają ekstremalnych temperatur jak reakcje termojądrowe i zachodzą w jądrach białych karłów lub w wewnętrznych skorupach gwiazd neutronowych. Mogą również zachodzić w czarnych karłach (teoretycznie jeszcze żaden biały karzeł nie schłodził się do stanu czarnego karła).

Podczas tej fuzji „na zimno” jądra krzemu przekształcają się ostatecznie w żelazo, emitując pozytrony (antycząstki elektronu). Pozytrony prawie natychmiast anihilują z elektronami, zmniejszając ciśnienie zdegenerowanych elektronów w jądrze czarnego karła. Dla gwiazd o masie od ~1.2 do ~1.4 Mʘ  zmniejszenie tego ciśnienia może doprowadzić do grawitacyjnego kolapsu jądra gwiazdy i wybuchu supernowej takiej jak dla znacznie masywniejszych gwiazd.

Szacuje się, że jeżeli proton jest stabilny, to jako supernowe wybuchnie około 1021 masywnych czarnych karłów, czyli ~1% aktualnej liczby wszystkich gwiazd we Wszechświecie. Nie dotyczy to Słońca, które posiada za małą masę.

Jest to wniosek z najnowszych analiz teoretycznych, których wyniki ukazały się w sierpniowym wydaniu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society pt. "Supernowe pochodzące od czarnych karłów w odległej przyszłości" (ang. Black dwarf supernova in the far future).

Według M. E. Caplan'a wybuchy supernowych, których progenitorami mogą być czarne karły rozpoczną się za około ~101100 lat licząc od dzisiaj. Jest to liczba niewyobrażalna dla ludzkiego rozumu. Już naprawdę trudno pojąć liczbę zwaną googol, czyli 10100 – a 101100 to jest za googol googol googol googol googol googol googol googol googol googol googol lat. Wybuchy takich supernowych potrwają do momentu, gdy Wszechświat osiągnie 1032000 lat (kompletna abstrakcja!).

Do wyobrażenia sobie liczb 101100 i 1032000 można również użyć na przykład dwumiesięcznika Urania. Jeżeli przyjmiemy, że na typowej stronie mieści się około 2 tysiące znaków, to liczba 101100 zajmie około pół strony, a liczba 1032000 – szesnaście stron (jedynka i szesnaście stron zer).  A tu człowiek jest szczęśliwy, gdy dożyje 102 lat...

Jednak podróżnik w czasie, który doświadczyłby tego ostatniego kosmicznego widowiska, mógłby czuć się rozczarowany. Zanim rozpocznie się epoka kolapsu czarnych karłów, tajemnicza substancja zwana ciemną energią (działa przeciwnie niż grawitacja) spowoduje tak ogromne „rozrzedzenie” przestrzenne czarnych karłów, że wzajemnie tych wybuchów supernowych nie będzie widać.

M. E. Caplan pokazał w publikacji, że promień obserwowanego Wszechświata wtedy powiększy się (e10)1100 razy (tutaj e ≈ 2.72).
– Jest to największa liczba w mojej karierze z jaką kiedykolwiek miałem do czynienia w badaniach naukowych – mówi M. E. Caplan.

Astrofizyk z Uniwersytetu Yale Gregory Laughlin traktuje rozważania teoretyczne Caplan'a jako zabawny eksperyment myślowy. Według niego, wielkości tych niewyobrażalnych skal czasowych są takie, że pozwalają naukowcom analizować fizyczne procesy, które nie miałyby czasu zrealizować się współcześnie.

Ważne jest podkreślenie tego, że jakiekolwiek badania dotyczące odległej przyszłości należy traktować z przymrużeniem oka – mówi Laughlin – Nasze poglądy na odległą przyszłość są odzwierciedleniem obecnej wiedzy i będą się zmieniały z roku na rok.

Na przykład, niektóre z teorii wielkiej unifikacji sugerują, że proton ostatecznie rozpadnie się. To może zlikwidować czarne karły na długo przed ich kolapsem jako supernowe. Zgodnie z hipotezami zawartymi w niektórych modelach kosmologicznych Wszechświat może ulec kolapsowi, uniemożliwiając ostateczne fajerwerki.

M.E.Caplan'owi sprawia przyjemność badanie odległej przyszłości – Uważam, że świadomość naszej śmiertelności na pewno motywuje nas do pewnej fascynacji końcem Wszechświata. Zawsze możesz uspokoić się, gdy sprawy przyjmują zły obrót i nie jest ważne kiedy entropia jest maksymalna.


Opracowanie: Ryszard Biernikowicz


Więcej informacji:


Publikacja naukowa: Black Dwarf Supernova in the Far Future

Wersja darmowa publikacji w arXiv: Black Dwarf Supernova in the Far Future

‘Black dwarf supernova’: ISU physicist calculates when the last supernova ever will happen

This is the way the universe ends: not with a whimper, but a bang


Źródło: Illinois State University


Ilustracja: W bardzo odległej przyszłości po tym jak ustanie proces powstawania gwiazd Wszechświat będzie wypełniony z rzadka zdegenerowanymi pozostałościami po ich ewolucji takimi jak czarne dziury, gwiazdy neutronowe, białe karły. Większość z nich będą stanowiły białe karły, które wychłodzą się i zamarzną (krystalizacja) jako czarne karły. Źródło: NASA’s Goddard Space Flight Center / S. Wiessinge.