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El destino del Universo 5: En el camino de la muerte térmica




La entrada anterior de esta miniserie acabó con las siguientes frases: “Acabo de conceptuar a la muerte térmica como un fenómeno “simple” porque no se va a producir ninguna extraña singularidad en el proceso. Va a ser un alargado languidecimiento apto para todas las edades, sobre todo si son tan escuetas como la humana. Casi no da miedo el aventurarse por un futuro en donde al final se va a ir perdiendo hasta el sentido físico de la flecha del tiempo.

En esta entrada vamos a hablar de la muerte térmica.

Imagen tomada por el telescopio Hubble. Nebulosa planetaria del Velo, restos de la desintegración de una supernova sucedida hace 8.500 años (Imagen tomada por el telescopio Hubble, NASA, fair use)

Comencemos por el día de hoy. Si el Universo no nos hace una jugarreta y su física a largo plazo va por derroteros distintos a los que prevemos con nuestro actual nivel de conocimiento, que todo es posible, vivimos en un Universo que responde a una geometría plana, con una cantidad de materia y de energía oscura que se reparten la densidad crítica de energía en una relación 30/70. Parece ser que, también por lo que sabemos hoy, lo más probable es que la energía oscura sea una constante cosmológica. Eso nos lleva a un Universo en constante expansión exponencial hacia un mundo que, ya avanzamos, va a ser frío y vacío.

Acto I. Los cúmulos se fusionan, las estrellas se alejan, los sistemas planetarios se descomponen. Comienza la evaporación en las grandes escalas.

Al principio aún habrá zonas en las que la gravedad seguirá dominando a la expansión y el mundo no será muy distinto. Las galaxias seguirán rotando y eventualmente “colisionando”, en cúmulos cada vez más tenues; las estrellas seguirán en sus galaxias quemando su combustible o siguiendo una senda de enfriamiento cuando hayan llegado a su fin; los planetas girarán atados a la gravedad de sus estrellas con una dinámica fijada por sus masas; los agujeros negros seguirán absorbiendo material próximo y evaporándose a través de la radiación de Hawkings. Pero el Universo seguirá expandiéndose irremisiblemente, diluyendo sus estructuras y componentes, que cada vez van a estar más aislados y con mayores dificultades para interactuar. Lo cual no quiere decir que no quede por delante aún una larga historia muy interesante.

La biografía particular de nuestro planeta le llevará a ver cómo el Sol pasa a ser una gigante roja que posiblemente arrase a Mercurio y Venus para luego irse reduciendo hasta devenir una enana blanca. A la par que eso sucede -dentro de unos cinco mil millones de años-, la Vía Láctea estará en fase de “colisión” y fusión con la galaxia Andrómeda. En el proceso, quizás por mareas gravitacionales, el Sol o la Tierra pueden ser lanzados al medio intergaláctico en un último viaje, ahora como solitarios ermitaños. De todas formas, la tozuda expansión no habrá vencido todavía a la potencia de la gravedad en las “cortas” distancias. Le quedan muchos años, tantos que habrá tiempo para que el Grupo Local -barrio galáctico en donde se encuentran la Vía Láctea y Andrómeda- también se fusione, cosa que sucederá en el año 1012 tras el Big Bang. Desde un poco antes, año 1011, el resto del Cosmos se ha ido difuminando fuera de nuestro campo de visión, nuestra familia estará sola en un Universo gélido donde la radiación de fondo habrá estirado su longitud de onda hasta 1012 veces la profundidad de ese horizonte.

Y al igual que el Grupo Local se fusionará, lo mismo va a pasar en conjuntos de masa mayores como otros cúmulos y supercúmulos, que acabarán siendo unas oscuras galaxias globulosas y esferoidales en donde seguirán pasando cosas. En los procesos de fusión galáctica es muy raro que se produzcan choques entre estrellas y aún más raro que estas pierdan sus planetas: las galaxias son cuerpos muy tenues con grandes separaciones entre sus componentes. La estrella vecina más próxima al Sol es Alfa Centauri A, que se encuentra a 4,22 años luz. Si el Sol fuera una esfera de un milímetro de diámetro, Alfa Centauri A estaría alejada de nosotros unos 30 metros.

A pesar de todo, en esa profundidad del futuro seguirá existiendo un potencial gravitatorio entre los remanentes de las galaxias -estrellas muertas, gases y polvo-. Mientras se cruzan dos de ellas puede haber pares de estrellas que interaccionen mutuamente en sus trayectorias, como en un baile donde los danzantes se cogen por los brazos. Las estrellas más pequeñas suelen acelerarse en esos “contactos”, mientras las más grandes se frenan.[1] El incremento de velocidad de la pequeña puede ser tan grande que sea suficiente como para escapar de la galaxia a velocidades próximas a los 300 kms/seg. A través de ese proceso, conocido como de relajación dinámica, las galaxias se van “evaporando”[2] quedándose poco a poco solamente con las estrellas menos dinámicas, empequeñeciendo de tamaño mientras su agujero negro central va aniquilando lo que queda de ella.

Interacción gravitatoria entre estrellas durante el cruce de sus galaxias (Imagen modificada de “The five ages of the Universe”, página 86, Fred Adams y Greg Lauhglin, publicado por Simon & Schuster, fair use)

Otro mecanismo de disgregación es el conocido como “honda gravitatoria”, por el que se van a expulsar estrellas de los cúmulos estelares o incluso de la propia galaxia. El mecanismo se basa en la inestabilidad dinámica en un conjunto de tres cuerpos ligados gravitatoriamente. Cosa que puede suceder cuando una estrella o un planeta errante se encuentra, por ejemplo, con algún sistema binario estelar. Antes del encuentro sus movimientos eran regulares y periódicos, pero después del encuentro van a dejar de serlo. La pauta de interacción mutua va a cambiar continuamente de manera muy complicada. El resultado es que la energía del sistema no la comparten por igual todos los participantes, incluso siendo cuerpos idénticos, generándose una dinámica aleatoria y caótica. Puede llegar el caso de que con el tiempo dos de los tres cuerpos transmitan tanta energía al tercero que este salga expulsado del sistema.[3]

Mientras eso sucede, a menor escala también se van descomponiendo los sistemas planetarios de las estrellas, tanto en las que se han fugado como en las que permanecen ligadas gravitatoriamente en lo que va quedando de galaxia, comenzando con los planetas más alejados de la estrella y acabando con los interiores. Los que no escapen caerán irremisiblemente sobre sus estrellas según vayan perdiendo energía gravitacional en sus postreras rotaciones. Las estrellas habrán perdido sus planetas mucho antes de que las galaxias desaparezcan totalmente.

En este mundo en fuga y dispersión cada vez habrá menos material, gas y polvo, y menos potencial gravitatorio para formar nuevas estrellas. En aproximadamente 1014 años tras el Big Bang todos los procesos normales de formación estelar habrán cesado. Mientras, las estrellas que aún existan (ver tabla siguiente) irán progresivamente agotando el hidrógeno y el helio de sus calderas nucleares, incluso en las longevas enanas rojas. Estas últimas, a medida que van quemando su combustible, verán cómo su núcleo se va compactando, ya que el helio es más denso que el hidrógeno. Para contener la presión la fusión se incrementa, la temperatura se incrementa, el brillo exterior se incrementa. Llegará el día en que lo que reste de las galaxias se verá iluminado solo por las abundantes enanas rojas moribundas. Eventualmente alguna estrella grande habrá colapsado sobre sí misma en un fuego de artificio de supernova, aportando nueva materia, casi inútil, al sutil medio interestelar. Las enanas blancas se enfriarán hasta convertirse en enanas marrones, con una temperatura máxima de 5K, en unos 1017 años tras el Big Bang. Llegará el momento en que solo quedará el calor residual de los cadáveres, en su gran mayoría enanas marrones y enanas blancas, y en mucha menor cuantía residual, estrellas de neutrones y agujeros negros.[4]

Distribución estelar en el momento en que cese la formación normal de estrellas (en %)

%

(año 1015)

Enanas

marrones

Enanas

blancas

Estrellas de

neutrones

Número

45

55

0,26

Masa

9,7

88

2,4

En lo que queda de las galaxias, que según el físico teórico Freeman J. Dyson oscilará entre el 10% y el 1% de la masa inicial,[5] ya no hay apenas material ni energía para crear estrellas, y todas las viejas han muerto o huido. Mientras, su particular agujero negro central va dando cuenta de los despojos. El resultado es que las galaxias se habrán evaporado en el año 1019. La mayoría de los planetas ya habrán salido de sus órbitas para entonces, pero cualquiera que todavía esté orbitando estrellas entrará en espiral gracias a la radiación gravitacional en unos 1020 años. Un mundo oscuro.

Acto II. Reactivación postrera de las estrellas.

Hemos comentado que la probabilidad de colisión entre estrellas era muy baja en los cuerpos evanescentes de las galaxias. Aunque, desde luego, todo es cuestión de probabilidades, y esas se hacen mayores cuando hay mucho tiempo en juego. Como es el caso en el momento que empezamos a analizar: 1020 años es la referencia, 1010 veces la vida actual del Universo. Y pueden pasar muchas cosas curiosas tras esos choques. Quizás se puedan encontrar dos enanas marrones,[6] con su reserva de hidrógeno sin quemar, de forma que en su fusión se llegue a generar una nueva enana roja que permitirá suavizar la agonía estelar. Incluso si el choque es más o menos tangencial puede emerger un disco de materia que acabe generando un sistema planetario e incluso con condiciones propicias y tiempo suficiente como para el renacimiento y desarrollo de la vida. Quizás semejante a la de la Tierra. Eso podría suceder a partir del año 1022 tras el Big Bang.

Tal vez se acerquen dos enanas blancas extintas, todavía con su remanente de carbono y oxígeno recuerdo de sus mejores épocas, de forma que una de ellas comience a deglutir masa de la otra y supere el límite de Chandrasekhar, con lo que se ceba una supernova de tipo Ia. También las enanas blancas pueden entrar en otro tipo de juego. Recordemos cómo algunas de pequeño tamaño pueden mantener sus reservas de helio que nunca pudieron llegar a quemar. Pero que al chocar y fusionarse entre ellas se alcance una densidad tal en el núcleo resultante como para que ese proceso se inicie. Quizás generen también sus propios sistemas planetarios aunque, así como en las enanas rojas nacidas de dos marrones cabía la posibilidad de vida en alguno de sus planetas, en las estrellas de helio es imposible, dada la rapidez con que la estrella resultante va a quemar este elemento.

Todo ello va a crear la oportunidad de un nuevo ciclo de “esplendor” luminoso para las moribundas galaxias, unas leves guirnaldas encendidas aquí y allá, nada parecido a lo que podemos ver ahora mirando el cielo nocturno. Evaporadas las galaxias, cosa que más o menos va a suceder en el periodo que va del año 1019 al año 1020 desde el Big Bang, aún deambularán por el cosmos las nuevas enanas rojas náufragas durante quizás billones de años más.

Acto III. Degeneración de la materia oscura.

En ese momento, desde la placidez del sillón de lectura, nos queda la sospecha de que hayamos corrido demasiado en esta historia que alcanza el año 1020 tras el Big Bang, ya que realmente, aunque hayamos asegurado que las galaxias se han evaporado, no lo han hecho aún totalmente: no nos podemos olvidar de su materia oscura, que en las circunstancias actuales quizás conforme hasta el 85% de toda la masa. Ahí está y ahí seguirá jugando un papel en el destino del Universo. No sabemos qué es lo que compone la materia oscura, ni idea. Especulamos con que puedan ser partículas con masas del orden de los cientos de GeV[7] que interaccionan poco hasta consigo mismas.[8] Lo que sí es cierto es que son insensibles a los campos electromagnéticos y nuclear fuerte. No emiten ni absorben luz ni se encuentran en los núcleos atómicos. Solamente pueden ser detectados por sus efectos gravitatorios y en eventuales aniquilaciones al interactuar con materia bariónica ordinaria guiadas por la fuerza nuclear débil. Esas interacciones se dan con una probabilidad muy baja, pero una vez más… nos movemos en intervalos temporales cosmológicos lo suficientemente gigantescos como para que casi todo pueda suceder alguna vez. Incluso hay opiniones de que se hayan podido detectar reflejos de alguna de esas desintegraciones.[9]

En los halos galácticos se encuentran grandes cantidades de partículas de materia oscura y restos de antiguas descomposiciones estelares, gases y polvo. Un lugar muy apropiado para la desintegración de la materia oscura a través de auto-interacciones que van a aportar al Cosmos energía en forma de radiación. Otra posibilidad viene de la mano del hecho ya comentado de que la materia oscura no interactúa electromagnéticamente ni a través de la fuerza nuclear fuerte, por lo que sus partículas tienen gran capacidad de penetración en las masas de materia. Cada segundo, ahora mismo, atraviesan nuestro cuerpo unas 1011 partículas oscuras. Eso es lo que sucede continuamente hoy en día también en los objetos estelares, pero sin gran repercusión, ya que en ellos hay otros procesos energéticamente mucho más potentes. Pero en la época que estamos analizando, la de la desintegración de los halos galácticos, en el año 1020 tras el Big Bang, la aniquilación de partículas de materia oscura en el interior de las masas residuales de materia bariónica, como en las enanas blancas, toma un gran protagonismo. Las partículas de materia oscura son capturadas en el interior de las estrellas muertas al chocar con alguna de sus partículas bariónicas. El resultado es que, tras perder energía en el encuentro, quedarán allí atadas gravitatoriamente y con el tiempo sufriendo su aniquilación. Dando como resultado a pequeñas partículas[10] con velocidades relativistas que consiguen abandonar incluso los halos galácticos venciendo la atracción gravitatoria. Llega un momento en que el flujo de entrada de la materia oscura va a ser igual al de aniquilación, quedando las enanas blancas como una máquina de destrucción del halo galáctico. Con un sorprendente resultado adicional: la energía total generada a lo largo de los tiempos por la captura y aniquilación de las partículas de materia oscura en una de esas estrellas va a ser del orden de 1015 watios, que aunque muy pequeña, 1011 veces inferior a la radiada por el Sol, es capaz de dar nueva vida -calentar- a la enana blanca, que de nuevo irá radiando fotones desde su superficie, fotones con una longitud de onda relativamente corta, en el infrarrojo, de unos 0,05 milímetros, débiles e invisibles para nosotros.

Entreacto hacia el año 1025 tras el Big Bang.

Así que el panorama de nuestro Universo en esos lejanos años por venir, llenos de degeneraciones, será ya muy distinto al actual. La energía oscura dominará claramente en las grandes distancias. La radiación de fondo de microondas se habrá enfriado con la expansión situándose en el entorno de los 10-13K. En los cúmulos galácticos, dominios menguantes de la gravedad, sus galaxias van completando las fusiones y evaporaciones. En el proceso las estrellas moribundas se estarán escapando de sus galaxias y los planetas se verán arrancados de cuajo de sus sistemas. En ese conglomerado cada vez menos ordenado de materia y energía nacen nuevas estrellas enanas, mientras poco a poco se van a ir viendo dominadas por la tremenda gravedad generada por los errantes agujeros negros centrales de las galaxias.[11] La materia oscura se transmuta paulatinamente en energía. Durante una época las decadentes galaxias estarán tenuemente iluminadas solamente por miles de millones de enanas blancas reactivadas por la materia oscura y, por encima de ese poso luminoso, guirnaldas de miles de millones de radiantes enanas rojas producto de la reactivación de la fusión de hidrógeno tras los choques de enanas marrones. Todo dibuja un escenario poco denso, cada vez más desordenado, mientras el resto del Universo se escapa más allá del horizonte permitido por la expansión. Creciente soledad, aislamiento y vuelta a las esencias más elementales. Eso será el paisaje mientras avanzamos hacia el año 1025, momento en el que la materia oscura de los halos galácticos ya es solo dominio de enanas blancas y se va oyendo el progresivo rugido de los agujeros negros. Nos abocamos a momentos de una total e inevitable descomposición.

Lo veremos en la entrada siguiente.

  1. El fenómeno es semejante a lo que en astronáutica se denomina asistencia gravitatoria, que es la maniobra destinada a utilizar la energía del campo gravitatorio de un planeta o satélite para obtener una aceleración o frenado de una sonda cambiando su trayectoria. []
  2. La evaporación de las galaxias es un proceso que recuerda a lo que pasa en un líquido en el que, en su superficie, el choque de dos moléculas eventualmente provoca el escape de alguna de ellas hacia un espacio exterior más tenue. Es un proceso lento, pero las simulaciones por computadora muestran que alrededor del 90% de la masa de las galaxias eventualmente se “evaporará” de esta manera, mientras que el resto se convierte en un gran agujero negro. []
  3. Del libro “Los tres últimos minutos”, páginas 109-110, Paul Davies. []
  4. La siguiente tabla se ha extraído de ”A DYING UNIVERSE: The Long Term Fate and Evolution of Astrophysical Objects“, Fred C. Adams and Gregory Laughlin. []
  5. Time without end. Physics and Biology in an open Universe”, página 7, 1979, Freeman J. Dyson. []
  6. La radiación gravitatoria hace que las órbitas de las estrellas binarias pierdan energía y se deterioren, fenómeno que se manifiesta de particular importancia en la descomposición de las enanas marrones binarias. []
  7. Hay varios candidatos para la materia oscura. Unos de ellos serían los MACHO’s, “Masive Astrophysical Compact Halo Objects” -objetos astrofísicos masivos y compactos de los halos-, que simplemente serían algún tipo de objeto estelar de difícil observación, simples personajes astronómicos de materia fermiónica, oscuros o difícilmente detectables. Por otro lado se habla de los WIMP’s, “weakly interacting massive particles”, cuya tradución nos dice que serían partículas masivas que interactúan de forma débil. Algo así como neutrinos de gran masa y, por tanto, muy lentos. El candidato teórico más aceptado es el neutralino, una partícula de masa entre 100 GeV y 1 TeV. También ahí clasificados se encuentran los aún más teóricos axiones con masas inferiores a 10-7 eV. Si queréis saber más sobre el tema, y sobre las partículas en general, podéis acudir a la serieEsas maravillosas partículas”, del blog de Pedro Gómez-Esteban “El Tamiz”. []
  8. En este sentido recomiendo leer lo que dijimos de la materia oscura en la entrada 27 de la serie Biografía del Universo al hablar del cúmulo Bala. []
  9. En 2014 el telescopio espacial Fermi observó en una gran región de 10×10 grados de arco un exceso de rayos gamma con una energía ∼ 1-3 GeV en dirección al centro galáctico. No se conoce su origen, pero podría ser la aniquilación de partículas WIMP de materia oscura. “The Characterization of the Gamma-Ray Signal from the Central Milky Way: A Compelling Case for Annihilating Dark Matter”, Tansu Daylan et al., aquí. []
  10. Se tratarían de fotones, neutrinos, electrones, positrones, protones y antiprotones. []
  11. Un agujero negro del tamaño del que habita el centro de la Vía Láctea, de un millón de masas solares, tiene la capacidad de comérsela en un tiempo de 1030 años. Si la masa es mil veces mayor el tiempo de deglución se acortaría hasta los 1024 años. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 1 } Comentarios

  1. Gravatar Alvar | 06/09/2022 at 10:16 | Permalink

    Hace un tiempo leí que la materia cuando cae a un agujero negro sus constituyentes fundamentales caen a su estado de vacío cediendo su energía al espacio tiempo y desapareciendo como tales y como consecuencia el agujero negro aumenta de tamaño . A la materia ordinaria le puede suceder lo mismo con el Big Rip ? que sus partículas fundamentales le cedan su energía a la energía oscura?

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