NeoFronteras

Un estudio analiza los procesos a los que podrían estar sometidas las estrellas enanas negras.

La ciencia ha llegado a predecir eventos que ocurrirán en lapsos de tiempo tan largos que casi no los podemos imaginar, aunque seamos capaces de escribir números en potencias de diez.

Por otra parte, la vida de las estrellas es tan rica y variada que da a lugar a escenarios de lo más exóticos. Por una lado tenemos las estrellas de alta masa. Esas estrellas gastan rápido su combustible nuclear y enriquecen el medio con elementos pesados más allá del hidrógeno y el helio cuando explotan en forma de supernova. Si hay vida ahora mismo en la Tierra es gracias, entre otras cosas, a que estrellas de este tipo brillaron en el pasado remoto. Es la razón por la cual usted, amigo lector, está ahora aquí. Estas estrellas brillan mucho, pero gastan tan rápido su combustible nuclear que en unos millones de años ya han desaparecido y dejan tras de sí o bien una estrella de neutrones o bien un agujero negro. Más tarde, la colisiones de estrellas neutrones enriquecen el medio con elementos aún más pesados.

Por otro lado, están las enanas rojas. Estas estrellas son tan ligeras que gastan su combustible nuclear muy lentamente. En el Universo y desde el Big Bang no se ha apagado todavía ninguna de estas estrellas porque no ha dado tiempo, pero lo harán en un futuro. La vida estimada de estas estrellas va de unos 200 000 millones de años a varios billones de años dependiendo de su masa, a más ligeras más duran brillando.

Las estrellas de masa intermedia como el Sol viven unos miles de millones de años. El Sol ya ha gastado 5000 millones de años y le quedan otros tantos antes de que se convierta en gigante roja y engulla algunos de los planetas interiores. Que sobrevivan los planetas, qué planetas de ellos quedarán, en qué condiciones y en qué órbitas terminarán es algo que está ahora en el debate científico. Ya se ha encontrado el primer ejemplo de planeta gigante gaseoso que ha sobrevivido a un evento así.

Tras la fase de gigante roja, las capas exteriores se expanden formando una burbuja de gas y polvo, mientras que el núcleo de la estrella se transforma en una enana blanca de altísima densidad, de unos 1000 kg por centímetro cúbico. La enana blanca no genera reacciones de fusión nuclear, sino que brilla gracias al calor residual que le queda. Al principio tienen un temperatura superficial muy alta, pero se van enfriado poco a poco. Sin embargo, el proceso de enfriamiento es tan lento que ninguna enana blanca se ha apagado desde el Big Bang hasta ahora.

Pese a su temperatura, lo que impide el colapso gravitatorio no es la agitación térmica, sino la llamada presión de degeneración electrónica que depende del principio de indeterminación de Heisenberg y del principio de exclusión de Pauli sobre los electrones. La masa de una enana blanca depende de los núcleos, pero son sus electrones los que impiden que colapse.

El 99% de las enanas blancas están constituidas básicamente por carbono y oxígeno, que son el resultado de la fusión del helio. Sobre la superficie hay una capa de hidrógeno y helio prensados que forman la atmósfera de la enana blanca. Solo unas pocas enanas blancas están formadas solamente por helio al no haber sido este fusionado en el pasado, o por oxígeno, neón y magnesio si las reacciones de fusión han ido más allá.

Se estima que el tiempo de vida de una enana blanca es similar al tiempo de vida media del protón, es decir entre los 10³² y los 10⁴⁹ años (¡ahí es nada la barra de error!). Después de eso se transforman en enanas negras, objetos fríos de muy alta densidad. Por consiguiente, no hay todavía ninguna enana negra en el Universo. De hecho, al cabo de ese tiempo posiblemente no quede ya ningún otro tipo de estrella en el Universo (salvo las que puedan surgir por colisión entre enanas negras) o no quede ni Universo.

No está claro cuál es la vida media del protón. Según las teorías de gran unificación estaría en la horquilla dada antes. Se estima que, como máximo, esta vida media sería de 10¹⁰⁰ años por culpa de procesos nucleares o por la formación de agujeros negros virtuales.

Por otro lado, si la energía oscura se hace más intensa en el futuro, el Big Rip acabará con todo el Universo antes de que aparezca cualquier enana negra. Pero si la energía oscura es una constante cosmológica, nuestro vecindario se transformará en Lactómeda (el fruto de la colisión de la galaxia de Andrómeda y la Vía Láctea) y todas las demás galaxias habrán pasado más allá del horizonte observacional recediendo a mayor velocidad que la de la luz. LO mismo le pasará a otras regiones del Cosmos. El Universo, que será ahora un universo local, será un universo de tipo de Sitter en el que se habrán borrado las huellas del Big Bang. Las estrellas se irán «evaporando» de Lactómeda por interacción gravitatoria de tal modo que, mientras algunas irán cayendo al agujero negro central, la otras serán lanzadas fuera a un espacio inmensamente vacío.

Además, la masa relativamente baja del bosón de Higgs indica que el Universo es metaestable y que, tarde o temprano, el estado de vacío actual pasara a otro estado de vacío de energía más baja. Digamos que pasará por una transición que destruirá absolutamente todo. Cálculos recientes estiman que, como pronto, este fenómeno se dará dentro de 10²⁸⁰ años. Por tanto, toda predicción más allá de esta fecha es un tanto aventurada. Para comparar recordemos que la edad del universo es de solamente unos 10¹⁰ años.

M. E. Caplan (Illinois State University) ha publicado recientemente lo que le pasaría a las enanas negras en lapsos de tiempos descomunales, si es que el universo sobrevive a todo lo anteriormente descrito.

La energía nuclear se puede obtener mediante la fusión de núcleos ligeros o mediante la fisión de núcleos pesados (como el uranio). En este gráfico sacado de Wikipedia se puede observar esto mismo si nos fijamos en la energía por nucleón y en el que se ha tomado un convenio de energía positiva:

Como se puede observar, hay un pico en el hierro. En concreto, el hierro 65 es el elemento más estable de todos los posibles. Las estrellas de gran masa explotan en forma de supernova porque, al final de sus vidas, fusionan elementos hasta producir hierro y este no se puede fusionar sin consumir energía, así que se paran las reacciones nucleares, baja la temperatura que se opone a la gravedad y el núcleo de hierro colapsa.

Como hemos dicho antes, la mayoría de las enanas blancas (y por tanto las futuras enanas negras) están compuestas por oxígeno y carbono. Como no hay temperatura y presión suficientes no hay reacciones de fusión nuclear.

Caplan ha realizado unos cálculos en los que tiene en cuenta la reacciones pycnonucleares. Es decir, las reacciones de fusión debidas solamente a la densidad.

En una enana negra, que es un cuerpo frío y muy denso, el carbono y el oxígeno (u otros elementos) forman una red cristalina. Parece imposible que se puedan dar reacciones de fusión, pero es aquí donde aparece la Mecánica Cuántica y su efecto túnel. Existe una probabilidad no nula de que dos núcleos se fusionen pese a la barrera de repulsión eléctrica que hay entre núcleos cargados positivamente.

Poco a poco, empezando en las zonas más densas del interior de la enana negra, unos elementos se irían transformando en otros como en una lenta onda hasta la superficie. Al final se formaría hierro-56 y ahí se pararía el proceso.

Pero este proceso sería lentísimo. Para las enanas negras más masivas la formación del hierro necesitaría de 10¹¹⁰⁰ años. Para las de masa intermedia de 10¹⁶⁰⁰ años y para las más ligeras de 10³²⁰⁰⁰ años. Sí, un uno seguido de 32 000 ceros. Para comparar esta escala de tiempo diremos que un agujero negro supermasivo de 10¹¹ masas solares tardaría 10¹⁰⁰ años en evaporarse por radiación Hawking.

Mucho antes de esa época, suponiendo una energía oscura como constante cosmológica y asumiendo que el universo no haya caído en un nuevo estado de vacío ni que el protón se desintegre, todas las estrellas del universo se habrán apagado y los agujeros negros se habrán evaporado. Sólo quedarán estrellas enanas negras desperdigadas.

Entonces, después de un océano inmenso de tiempo, estas enanas negras formarán núcleos de hierro y quizás (y esto es especulativo por no haberse investigado aún) se produzcan colapsos como los que generan las supernovas y puede que se den explosiones que, por primera vez en mucho tiempo, vuelvan a iluminar la oscuridad más absoluta, alargando en una cuasieternidad la muerte térmica del Cosmos.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Copia en ArXiv.
Ilutración: NASA, ESA, and Z. Levy (STScI)