La entrada anterior de esta miniserie la acabamos con esta frase: “Volvamos al año 1025 tras el Big Bang, era en la que parece que el mundo da un giro, de la construcción en las galaxias y estrellas al inicio de la degeneración de la materia oscura al que se va a unir la de los protones (si es que esos se desintegran, que está por ver). En adelante… es lo que queda. Evaporación hacia la entropía“. La función continúa.
Acto IV. La destrucción vence en el juego
Empecemos por los protones. Una de las consecuencias de la teoría de evaporación de la materia con la que filosofábamos en la entrada anterior pudiera ser que el mundo se desintegrara en radiación a través del decaimiento de los protones en su obligada búsqueda de un mínimo de energía como sistema físico. Aunque a día de hoy no se tiene ninguna constancia de ese fenómeno. Quizás sea porque no ha habido tiempo suficiente para experimentarlo: hay cálculos que plantean un amplio margen para ello, desde los 1030 a los 1037 años tras el inicio del Universo. Estamos hablando de la vida media de tan longevas partículas. Hoy estamos algo así como en el cumpleaños 1010.
Se teoriza con diversos fenómenos que expliquen el decaimiento del protón. Quizás el más típico ejemplo puede ser el que el protón se transforma en un positrón de menor masa -en el fondo se parece a un protón pequeño (de menor energía) aunque realmente es la antipartícula del electrón- más un par de energéticos fotones. Ello exige incumplir el mantenimiento del número bariónico, cosa de la que ya hablamos en la serie “Biografía del Universo“, donde se hacía la misma advertencia.
Posible vía de desintegración del protón hacia un positrón y radiación.
Hay también otras posibles formas exóticas de que se produzca la desintegración del protón. Como podemos leer en esta entrada de la citada serie la Biografía del Universo, el protón está constituido por tres quarks. Bueno… por un baño de vibrantes quarks en donde parece sobresalir una unión de tres de ellos mediante gluones. La loca dinámica de su interior permite el que en algún momento se acerquen tanto los tres cuarks como para generarse un mini agujero negro que, por emisión de radiación de Hawking, desaparecería instantáneamente. El protón se habrá transmutado en energía. De todas formas este proceso de desintegración es tan improbable que se estima que le pase eso en unos tiempos medios de entre 1045 y 10169 años. Otra vía de desintegración se derivaría de la posibilidad de que el Universo cayera en un vacío de menor nivel energético que el actual, aunque los tiempos requeridos aun son mayores, entre 10140 y 10150 años. Hemos hablado de esta posibilidad en la entrada tercera de esta serie cuando el campo de Higgs tunelaba hacia un nuevo mínimo provocando el Big Slurp.
Aún estamos metidos en la “antigüedad” del año 1025 y hemos dicho que el protón puede desintegrarse siguiendo el proceso de reducción a un positrón y energía, con una vida media fijada en unos 1037 años. Eso sólo quiere decir que en esa fecha, teóricamente, se habrán desintegrado la mitad de los protones, lo cual no invalida el que unos lo hayan hecho antes y otros lo vayan a hacer después. Por tanto, en el año 1025, o incluso ahora mismo, estaríamos en tiempos de un posible decaimiento de los protones.[1] Están por todos los lados, en las enanas rojas, en las enanas blancas, en los restos de las galaxias que se difuminan por el Universo o caen en las garras de los agujeros negros. Están en los planetas que se evaporaron de sus sistemas y deambulan solitarios por las oscuridades de la inmensidad. Hay muchos protones, escondidos en los átomos de helio, oxigeno, carbono… e incluso de hierro. Y hay neutrones. Y electrones, neutrinos y radiación.
Cuando un protón se desintegra dentro de una estrella se va a producir un pión π0 y un positrón, como lo ilustra la imagen anterior. Posteriormente el positrón se desintegra cuando encuentra un electrón, dando como resultado partículas de radiación. Como así también lo hace de forma espontánea el pión. Al final el protón se ha deshecho como radiación, lo que supone una aportación energética para la estrella que incrementa su temperatura y su luminosidad. Aunque realmente es una luminosidad espectral: si eso sucediera en todas las estrellas dentro de nuestro horizonte cosmológico actual la energía producida sería cien veces menor que la del Sol.
La desintegración de los protones provoca además cosas muy curiosas en las estrellas durante la época de degeneración universal que estamos analizando. Entre otras, la forma en que se altera la química de las enanas blancas. La desintegración de protones y neutrones en los núcleos de los elementos presentes en la estrella hace que la población se deslice hacia núcleos de números atómicos cada vez más bajos. Puede que en esa desescalada los nuevos núcleos interactúen entre sí permitiendo el nacimiento de elementos más pesados, aunque a la larga predomine la cascada hacia números atómicos más bajos. Algunos de los nuevos productos nucleares serán radiactivos que posteriormente se desintegrarán por lo que, a la larga, solo permanecerán los elementos estables. Con el tiempo, cuando la masa total de la estrella haya disminuido en aproximadamente un factor de diez, casi todos los núcleos que queden en la estrella serán de hidrogeno. Protones que se descomponen.
A lo que vaya quedando de la enana blanca le sucederán más cosas. Recordemos cómo la estructura de las enanas blancas estaba sujeta por sus electrones degenerados.[2] A medida que se van evaporando los protones la presión interna disminuye, la estrella crece de volumen y pierde densidad, de forma que llega el momento en que los electrones dejan de estar degenerados, volviendo la estrella a ser una bola de hidrógeno, ahora congelado por las bajas temperaturas. El decaimiento de los protones continua en esta situación hasta que llega a un estado de plasma en donde la radiación producida puede abandonar la influencia de los electrones huyendo por el espacio infinito del Cosmos. Algo semejante a lo que pasó a nivel global en el momento de la Recombinación, 380.000 años tras el Big Bang. En esos momentos la enana blanca, muy pequeña,[3] esta definitivamente muriendo, su masa se ha convertido en radiación que calienta el Universo.
Algo similar les sucede a las estrellas de neutrones. Mientras sus protones se van desintegrando la estrella va perdiendo densidad hasta un momento en que no precisa la fuerza por la incompatibilidad local de sus neutrones degenerados. En esos momentos comienza a actuar sobre ellos la fuerza nuclear débil que los transforma en protones, electrones y antineutrinos. Una especie de enana blanca. Y ya sabemos cuál es su destino.
Lógicamente algo semejante les está pasando a los planetas errantes. Al final la materia se transforma en radiación o… está cayendo en un agujero negro. En el año 1040 tras el Big Bang prácticamente todas las estrellas y planetas se habrán evaporado siguiendo la vía de desintegración de los protones,[4] prácticamente todos los electrones y positrones se habrán aniquilado entre ellos manteniendo la carga eléctrica del universo igual a cero. Tras todo ello queda una “niebla” vacía en donde dominarán los fotones y los neutrinos. Quizás gravitones y, desde luego, voraces agujeros negros haciendo el barrido definitivo.
Ya sabemos que los agujeros negros son cuerpos muy especiales. A pesar de que de ellos no se escapa ni la luz cabe la posibilidad de que exuden su masa/energía a través de lo que conocemos como radiación de Hawking. Básicamente, consiste en la posibilidad real de que en la proximidad de su horizonte de sucesos se generen pares de partículas virtuales, de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg, una de las cuales cae dentro del agujero mientras la otra se escapa al espacio exterior con una energía real extraída de la energía gravitacional del agujero. El perfil de emisiones de este tipo asemeja a las de un cuerpo negro con una determinada temperatura, que es inversamente proporcional a la masa del agujero negro. Con la emisión de radiación el “monstruo” estaría progresivamente perdiendo masa/energía, aunque siempre que la temperatura exterior, la de fondo del Universo, sea menor que la de su horizonte de sucesos. Aunque llegará su momento, porque recordemos que cuanto más pequeño es el agujero negro mayor es la temperatura de su horizonte.
Para cuantificar el problema diremos que un agujero negro con una masa tres millones de veces la del Sol se comporta como si su temperatura fuera 10-13 K. La temperatura de base del Universo hoy en día, la del fondo de microondas, es de unos 2,725 K. Por lo que a día de hoy es difícil que los agujeros negros emitan radiación de Hawking. Se encuentran en pleno proceso de comer y comer. Pero en el futuro sí, puesto que con la expansión del Universo se irán alargando la longitud de onda de los fotones de fondo, lo que supondrá una pérdida de energía/temperatura. En el año 1021 después del Big Bang la temperatura será la adecuada para que empiecen a radiar los agujeros pequeños como los que tengan el tamaño del Sol. Y en el año 1035 iniciarán su radiación los más grandes, como los de 109 masas solares ¿Hasta cuándo durarán radiando? Depende de sus masas, aunque sí estamos seguros de que hasta el más gigantesco habrá “quemado” totalmente su masa en el año 10100 tras el Big Bang, dejando un poso de radiación. La temperatura de fondo rondará los 10-20K[5]
Los agujeros negros se deslíen en el tejido espacio temporal. Aunque no es el final del fundido en negro del Universo. Aun hay más desastre. Seguiremos en la siguiente entrada.
- Hay varios experimentos en marcha para detectar el decaimiento del protón. Quizás el más conocido es el del Super-Kamiokande situado en Japón, en la ciudad de Hida. Consiste en un tanque de 50.000 toneladas de agua pura rodeadas por cerca de 11.000 tubos fotomultiplicadores, que son detectores ópticos muy sensibles que aprovechan el efecto de emisión secundaria de electrones cuando inciden sobre ellos fotones, como los surgidos en la descomposición del protón. [↩]
- Podéis recordar esta circunstancia leyendo la entrada ”Las enanas blancas” publicada por Pedro Gómez-Esteban en el blog El Tamiz. [↩]
- En ese momento de difusión de su radiación la ex enana blanca tiene una masa de 1024 gramos, seis mil veces menos que la masa de la Tierra. [↩]
- En el texto hemos considerado como hipotética vida media del protón 1037 años. Estamos ahora en el año 1040 tras el Big Bang, es decir, mil veces la vida media del protón. Eso quiere decir que los protones actuales habrán decaído en esos momentos en un factor de (½)1000, aproximadamente 10-301. Se estima que en el Universo de hoy hay unos 1080 protones, luego… el vacío de materia en aquellos momentos de la vida del Universo será absoluto. [↩]
- Podéis jugar con esos datos usando la calculadora de radiación de Hawking y de otros parámetros de un agujero negro preparada por el desarrollador informático Viktor T. Toht. En esta página encontraréis todas las ecuaciones que los definen y condicionan su dinámica. [↩]
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