Supernovae nane nere, le ultime esplosioni dell’universo

I calcoli eseguiti da un astrofisico mostrano che in un lontano futuro l’Universo conterrà sextilioni di oggetti chiamati nane nere che dopo un tempo lunghissimo esploderanno come supernove. Probabilmente le ultime esplosioni che illumineranno il nostro universo.
Stelle come il Sole rilasciano energia quando fondono nei loro caldi e ribollenti nuclei, atomi di idrogeno in atomi di elio. Quello che accade nel nucleo del Sole è molto simile al modo in cui funziona una bomba all’idrogeno, ma su scala enormemente più grande; il Sole produce l’equivalente di energia di cento miliardi di bombe da un megatone ogni secondo.
La fusione dell’idrogeno in elio nel nucleo delle stelle non dura in eterno, a un certo punto si esaurisce. E a questo punto possono accadere molte cose complicate a seconda di quanto è massiccia la stelle. Nelle stelle con una massa circa 8-10 volte la massa del Sole, tutti gli strati esterni vengono spazzati via, spogliando il nucleo; un nucleo che è diventato una palla di materiale, molto denso che risponde alle strane regole della meccanica quantistica. È ancora composto da nuclei atomici (come ossigeno, magnesio, neon e così via) ed elettroni, ma sono sottoposti a pressioni incredibili , con i nuclei che praticamente si compattano. Chiamiamo questo tipo di materia “degenerata” è l’oggetto è chiamato invece nana bianca.
Quando le stelle massicce arrivano a questo stadio, è praticamente la fine della loro vita. Il processo di fusione che le ha fatte splendere per miliardi di anni – la fusione termonucleare, dove semplificando, i nuclei atomici sono così energetici che urtando l’uno contro l’altro si fondono. La nana bianca nasce molto calda, centinaia di migliaia di gradi Celsius, ma senza una fonte di calore interna che la riscaldi inizia a irradiare il suo calore fino a raffreddarsi raggiungendo l’equilibrio termico con lo spazio circostante.
Questo processo di raffreddamento richiede miliardi di anni. Le nane bianche che si sono formate nell’Universo primordiale hanno ancora una temperatura intorno ai 4.000 ° C.
Ma l’Universo è giovane, ha solo 13,8 miliardi di anni. Quando l’universo sarà molto più vecchio, quelle nane bianche si raffredderanno ulteriormente. Alla fine, si raffredderanno fino a raggiungere quasi lo zero assoluto: -273 ° C. Ci vorranno trilioni di anni, se non quadrilioni. Un tempo enormemente più lungo dell’età attuale dell’universo.
A quel punto gli oggetti fatti di materia degenerata non emetteranno alcuna luce visibile. Quelle stelle saranno scure, motivo per cui le chiamiamo nane nere. Ma questi oggetti si raffredderanno per l’eternità?
Non è detto che la loro storia finisca cosi, ed è qui che le cose iniziano a diventare strane. Attualmente, i fisici pensano che i protoni, una delle particelle subatomiche che compongono gli atomi, possano decadere spontaneamente. In media questo richiede molto tempo. L’evidenza sperimentale ha dimostrato che l’emivita del protone può essere di almeno 10 ³⁴ anni. Questo è un tempo un trilione di trilioni di volte più lungo dell’attuale età dell’Universo.
Se questo è vero, significa che i protoni all’interno dei nuclei atomici delle nane nere decadranno. Se lo faranno, dopo un tempo lunghissimo, le nane nere “evaporeranno” e nell’universo gli unici oggetti che rimarranno saranno stelle di neutroni e buchi neri.
Ma il decadimento del protone, sebbene previsto dalla teoria delle particelle, non è stato ancora osservato. E se i protoni non si decompongono? Cosa succede alle nane nere allora?
In nuovo documento si scopre che ci sono altri effetti della meccanica quantistica che diventano importanti, come il tunneling. I nuclei atomici hanno una carica positiva, quindi i nuclei si respingono a vicenda. Ma sono molto vicini tra loro al centro della nana nera. La meccanica quantistica dice che le particelle possono saltare improvvisamente nello spazio per distanze molto piccole, e se un nucleo salta abbastanza vicino a un altro si fondono, formano nuclei di elementi più pesanti e rilasciano energia.
Questo fenomeno è diverso dalla fusione termonucleare, che richiede molto calore. Questo fenomeno non ha bisogno di calore, ma ha bisogno di alta densità, il processo si chiama fusione pycnonucleare (Pycno in greco antico significa densa).
Nel tempo, i nuclei all’interno della nana nera si fondono, molto molto lentamente. Il calore rilasciato è minimo, ma l’effetto complessivo è che il nucleo diventa ancora più denso. Inoltre, come nelle stelle normali, i nuclei che si fondono creano nuclei più pesanti, fino al ferro.
Questo è un problema. L’effetto che consente alla stella di non soccombere alla sua stessa intensa gravità è la pressione di degenerazione tra gli elettroni. Il ferro, durante la fusione, consuma elettroni. Se una quantità sufficiente di ferro fonde, gli elettroni scompaiono, e l’oggetto collassa.
Questo accade anche con le stelle normali. Devono essere piuttosto massicce, più di 8-10 volte la massa del Sole (quindi il nucleo è almeno 1,5 volte la massa del Sole). Ma per stelle come quelle il nucleo collassa improvvisamente, i nuclei atomici si scontrano e formano una palla di neutroni, quella che chiamiamo stella di neutroni. Questo rilascia anche molta energia, creando una supernova.
Questo accadrà anche con le nane nere! Quando si accumulerà abbastanza ferro, anche le nane nere collasseranno ed esploderanno, lasciandosi dietro una stella di neutroni. Ma la fusione pycnonucleare è un processo estremamente lento. Quanto tempo ci vorrà prima del crollo improvviso? Per le nane nere di massa più elevata, che collasseranno per prime, il tempo medio necessario è, 10 alla 1.100 esima potenza. Scritto, è un 1 seguito da milleduecento zeri.
E queste sono le nane nere che iniziano per prime. Quelli di massa più bassa richiedono molto più tempo. Quanto tempo ancora? Collassano dopo circa 10 alla 32.000 anni. Se effettivamente i protoni decadono allora tutta la materia dell’universo prima o poi sparirà del tutto lasciando una vasta regione di spaziotempo buia e fredda.
Fonte: https://www.syfy.com/syfywire/black-dwarf-supernovae-the-last-explosions-in-the-universe