Universul nu este fără de sfârșit, chiar dacă, din perspectivă umană pare infinit. Un nou studiu arată că chiar și cele mai „indestructibile” lucruri din Univers, găuri negre, stele neutronice sau pitice albe, nu vor dura pentru totdeauna, potrivit Earth.com. Într-un timp extrem de lung, așa cum percepem noi timpul, ele își pierd treptat masa și „se evaporă”, iar Universul devine gol și rece. Astfel, acest studiu contrazice ce se credea până acum, respectiv că doar găurile negre se evaporă, ceea ce înseamnă că sfârșitul Universului ar putea veni mai repede decât ne așteptam, deși vorbim în continuare de un orizont de timp de neimaginat de îndepărtat.
Pe scurt, oamenii de știință din studiu citat de Earth.com argumentează că:
- nu doar găurile negre se evaporă, ci și stelele foarte compacte, cum ar fi stelele neutronice și piticele albe;
- asta se întâmplă pentru că continuumul spațiu-timp este curbat de gravitație și la scară cuantică apar particule din „nimic”;
- nimic cu masă nu e veșnic, totul se transformă foarte încet în particule și radiație, iar Universul devine tot mai gol și mai rece;
Oamenii de știință au analizat ce se întâmplă atunci când gravitația curbează continuumul spațiu-timp, așa cum prevede teoria relativității, și când câmpurile cuantice sunt urmărite pe perioade foarte lungi. Efecte minuscule, care astăzi par inofensive, ar putea decide în tăcere soarta a tot ceea ce este alcătuit din materie. În concluzie, Universul nu se „termină” brusc, ci se stinge foarte, foarte lent, la un orizont de timp care nu poate fi conceput de mintea umană.
Prezicerea sfârșitului Universului
Studiul a fost elaborat de trei cercetători de la Universitatea Radboud din Nijmegen, Olanda: expertul în găuri negre Heino Falcke, fizicianul cuantic Michael Wondrak și matematicianul Walter van Suijlekom.
Aceștia argumentează că găurile negre, dar și stelele dense precum stelele neutronice, pot pierde masă printr-un proces de evaporare asemănător radiației Hawking. Mulți s-au întrebat cât timp ar dura un astfel de proces.
Pentru a le înțelege munca, este util să ne amintim ideea de bază din spatele radiației Hawking.
Conform acestei teorii, efectele cuantice din apropierea orizontului evenimentelor al unei găuri negre o determină să emită un flux slab de particule și să piardă lent masă, astfel încât nici măcar o gaură neagră nu este permanentă.
Lucrarea se întreabă ce se întâmplă atunci când nu există deloc un orizont al evenimentelor. O stea neutronică sau o pitică albă poate concentra o cantitate uriașă de masă într-un volum mic și poate curba puternic continuul spațiu-timp, fără a deveni totuși o gaură neagră.
Autorii investighează dacă această curbură, prin ea însăși, poate crea particule și poate drena energie dintr-un astfel de obiect.
Ei tratează aceste rămășițe compacte drept puncte finale ale evoluției stelare, concentrându-se pe modul în care se comportă câmpurile cuantice în jurul lor atunci când alte complicații astrofizice au dispărut.
Calculul vizează durata de viață finală a unor astfel de corpuri dense atunci când doar gravitația și fizica cuantică mai contează.
Autorii folosesc teoria câmpurilor cuantice în continuul spațiu-timp curbat, un cadru care păstrează câmpurile cuantice, dar permite ca spațiul-timp să se curbeze, așa cum prezice teoria relativității în apropierea obiectelor dense.
În modelul lor, o stea compactă este o sferă care nu se rotește, cu densitate constantă, înconjurată de vid. Stelele neutronice reale se rotesc, au interioare complexe și pot avea câmpuri magnetice intense, însă această stea idealizată păstrează trăsătura esențială a curburii puternice în și în jurul unui corp dens.
În acest cadru, ei calculează cât de des spațiul-timp curbat din jurul unui astfel de obiect creează perechi de particule fără masă din vid.
Curbura intensă poate separa perechi virtuale de particule înainte ca acestea să se anihileze, transformându-le în particule reale, de energie joasă, cum ar fi fotonii sau gravitonii, care transportă energie în afară.
Perechile create în afara stelei pot trimite una sau ambele particule spre infinit sau le pot curba înapoi spre obiect, în timp ce perechile create în interior sunt absorbite și adaugă căldură stelei.
Dintr-un punct de vedere exterior, acest lucru duce la două surse de energie ieșită: o parte dintre particule scapă direct în spațiu, iar altele cad mai întâi înapoi, încălzesc ușor steaua și apoi reapar sub formă de radiație termică de la suprafața acesteia.
Pentru o stea cu suprafață, ambele canale funcționează. „Dar găurile negre nu au suprafață”, spune coautorul și cercetătorul postdoctoral Michael Wondrak. „Ele reabsorb o parte din propria radiație, ceea ce inhibă procesul.”
Temperatură, compactitate și durată de viață
Un factor cheie în analiza lor este compactitatea, care compară raza stelei cu raza pe care ar avea-o o gaură neagră de aceeași masă.
Pe măsură ce un obiect devine mai compact și raza sa se apropie de acea valoare specifică unei găuri negre, spațiul-timp din jurul său se curbează mai puternic, iar puterea emisă, determinată de efecte cuantice, crește. Spectrul acestei emisii se deplasează către frecvențe mai înalte, ca și cum obiectul ar avea o temperatură mai mare.
Din puterea totală care părăsește steaua, ei definesc o temperatură efectivă, tratând obiectul ca pe o sferă incandescentă și aplicând legea Stefan–Boltzmann.
De asemenea, iau în calcul deplasarea gravitațională spre roșu pentru a determina ce ar măsura un astronom îndepărtat și constată că emisia se comportă ca radiația unui obiect cald, a cărui temperatură este stabilită de acest proces cuantic.
Apoi estimează un timp de evaporare luând energia totală de masă a obiectului, folosind E = mc², și împărțind la rata de pierdere a energiei.
În această abordare, durata de viață depinde în principal de densitatea medie, mai degrabă decât de masă și rază separat. În formă simplificată, obiectele mai dense își pierd masa mai repede prin acest mecanism.
Stelele neutronice ajung să aibă durate de viață comparabile cu cele ale găurilor negre de masă stelară. Piticele albe se evaporă mai lent, deoarece sunt mai puțin dense, iar găurile negre supermasive supraviețuiesc cel mai mult, deoarece densitățile lor medii sunt mici.
Toate lucrurile trebuie să aibă un sfârșit, chiar și Universul
Coautorul Walter van Suijlekom, profesor de matematică la Universitatea Radboud, a notat că cercetarea reunește mai multe discipline, astrofizica, fizica cuantică și matematica, într-un singur studiu.
„Punând astfel de întrebări și analizând cazuri extreme, vrem să înțelegem mai bine teoria și, poate, într-o zi, să deslușim misterul radiației Hawking”, conchide van Suijlekom.
În cele din urmă, chiar și cele mai „permanente” părți ale universului sunt doar temporare atunci când privești suficient de departe în timp.
Găurile negre, stelele neutronice, piticele albe, planetele și norii subțiri de gaz pot părea înghețate și neschimbate la scări de timp umane sau chiar galactice, dar câmpurile cuantice din spațiu-timp curbat continuă să le erodeze lent și în tăcere.
La final, Universul devine un loc în care gravitația și fizica cuantică transformă lent tot ceea ce are masă în fluxuri slabe de particule, iar „pentru totdeauna” este doar un alt capitol foarte lung, dar totuși limitat, al poveștii.