¿Edad oscura del universo cuando cesa todo proceso de fusión?

He enumerado algunas referencias a continuación. El artículo de revisión general más útil es Adams 1997, excepto que es anterior al descubrimiento de la energía oscura. También hay un artículo de Wikipedia .

¿Habrá un día en que el universo se vuelva completamente oscuro cuando todas las estrellas se apaguen?

Sí. El combustible de hidrógeno quemado por las estrellas de la secuencia principal solo disminuye con el tiempo y nunca se repone. Parte del hidrógeno terminará permanentemente no disponible para la formación de estrellas, por ejemplo, en los gigantes gaseosos. Las últimas estrellas en arder probablemente serán "estrellas congeladas" muy pequeñas y tenues que pueden existir solo debido a la alta proporción de elementos pesados ​​(Adams, p. 8). Por$10^{14}$dentro de unos años (posiblemente antes), toda formación estelar habrá cesado y todas las estrellas habrán evolucionado hasta convertirse en objetos degenerados (Adams, p. 9).

¿Todos los cuerpos enfriados eventualmente chocan debido a las fuerzas gravitatorias?

No. La gravedad normalmente no hace que las cosas choquen, las hace orbitar entre sí. En escalas de tiempo de$10^{19}$año, la mayoría de las estrellas serán expulsadas de la galaxia (Adams, p. 12). (Encontré esto contrario a la intuición debido a la conservación de la energía, pero en una interacción gravitacional, no hay un límite inferior en las energías potenciales negativas que puede lograr, por lo que es diferente de un gas de átomos). Una minoría de estrellas no será expulsada y puede o sufren colisiones aleatorias (con una escala de tiempo de$10^{22}$años para las enanas marrones, o mucho más para las estrellas degeneradas) o migran gradualmente hacia el núcleo galáctico en escalas de tiempo de$10^{24}$yr debido a la disipación de energía en ondas gravitacionales (Adams, p. 13). Al final, alrededor del 1-10% de las estrellas terminarán devoradas por el agujero negro central, mientras que el resto escapará de la galaxia (Adams, p. 17).

¿Los agujeros negros finalmente dominarán el universo?

No. Como se describió anteriormente, la mayoría de las estrellas terminan como enanas marrones, enanas blancas o estrellas de neutrones, que son expulsadas de sus galaxias. Un cuerpo como una enana marrón perderá gradualmente sus átomos en el medio interestelar. Debido a algunas termodinámicas contrarias a la intuición, estos átomos probablemente finalmente se ionicen espontáneamente (Baez 2004). Báez da un argumento general que tiene en cuenta el entorno cosmológico, pero para tener una idea básica, me gusta el siguiente argumento dado por Peierls 1979. Tome un gas de átomos de hidrógeno. La suma$Z=\Sigma_{n=0}^\infty e^{-\beta E_n}$diverge, por lo que en el límite de baja concentración, donde$n$puede ir arbitrariamente alto, la probabilidad de cualquier estado discreto es cero. Aunque la temperatura también va descendiendo con el tiempo, llega a un límite finito, que viene fijado por la radiación de Hawking asociada al horizonte cosmológico.

Esta ionización convierte a nuestras estrellas muertas en una población de partículas masivas no unidas, lo que se suma a la población de tales partículas que simplemente nunca sufrieron un colapso gravitacional en un cuerpo macroscópico. (Si existe la desintegración de protones, entonces modifica un poco esta imagen, por ejemplo, las estrellas de neutrones evolucionan de cierta manera, pero el resultado final debería ser el mismo).

Además de estas partículas, tenemos una población de agujeros negros. En escalas de tiempo suficientemente largas, estos se evaporan en una variedad de partículas, las más numerosas de las cuales son fotones (pero todos los tipos posibles de partículas son creados por la radiación de Hawking).

Así que ahora tenemos un universo cuyos únicos habitantes son varias partículas individuales: fotones más partículas masivas. A medida que el universo se expande por un factor de escala$a$, la densidad de masa-energía debida a los fotones cae como$a^{-4}$, mientras que la densidad de masa-energía debida a las partículas materiales es como$a^{-3}$. La diferencia en los exponentes se debe a que los fotones se desplazan cosmológicamente hacia el rojo. Esto hará que los fotones eventualmente se conviertan en un componente insignificante en términos de su contribución a la densidad de masa y energía.

La expansión cosmológica acelerada hace que las partículas masivas (probablemente en su mayoría materia oscura, neutrinos y electrones y positrones) terminen dentro de sus propios horizontes cosmológicos, por lo que ya no pueden interactuar.

Puede obtener alguna variación en la historia anterior si hace suposiciones inusuales sobre la ecuación de estado para la energía oscura. Baez, por ejemplo, parece estar asumiendo implícitamente que la energía oscura actúa como una constante cosmológica, que es la interpretación más conservadora en este momento. Pero, por ejemplo, es posible bajo otras suposiciones tener un escenario de " gran desgarro ".

Parece que hay una gran cantidad de personas en Internet que creen que el universo del futuro lejano consistirá en nada más que fotones, ya que toda la materia habrá sido reciclada a través de agujeros negros y radiación de Hawking. El análisis anterior muestra que esto es simplemente falso, pero esta creencia popular parece tener el mismo tipo de control sobre la conciencia popular que otros hechos falsos como que los esquimales tienen$n$palabras para la nieve o la creencia de que las personas deben beber ocho vasos de agua al día. Una razón por la que podemos estar muy seguros de que la afirmación sobre los fotones no es cierta es que Roger Penrose es un tipo muy inteligente y tenía una teoría llamada cosmología cíclica conforme (CCC) que solo parecía viable si podía encontrar una manera de conseguir que toda la materia se recicle en fotones en un futuro lejano. Esto le dio la motivación más fuerte posible para buscar mecanismos para que eso sucediera, y después de un esfuerzo considerable (publicitado), fracasó.

Adams y Laughlin, "Un universo moribundo: el destino a largo plazo y la evolución de los objetos astrofísicos", 1997, http://arxiv.org/abs/astro-ph/9701131

Báez, J., 2004, "El fin del universo", http://math.ucr.edu/home/baez/end.html

Dyson, Tiempo sin fin: física y biología en un universo abierto, Reviews of Modern Physics 51 (1979), págs. 447–460, doi:10.1103/RevModPhys.51.447.

Freese y Kinney, 2002, El destino final de la vida en un universo en aceleración, http://www.arxiv.org/abs/astro-ph/0205279

Hu, radiación de Hawking del horizonte cosmológico en un universo FRW, http://arxiv.org/abs/1007.4044

Krauss y Starkman, 1999, Life, The Universe, and Nothing: Life and Death in an Ever-Expanding Universe, http://arxiv.org/abs/astro-ph/9902189

Peierls, Sorpresas en física teórica, sección 3.2

Es cierto que todas las estrellas se quemarán y que, en algún momento, cesará la formación de estrellas. En este punto, todavía habrá fotones viajando por el Universo, por supuesto, pero debido a la expansión cosmológica, estos se desplazarán hacia el rojo en la radio y a energías muy, muy bajas, mientras que su densidad numérica también caerá (la energía la densidad de los fotones depende del factor de escala$a$como$\propto a^{-4}$, donde la densidad de la materia solo cae$\propto a^{-3}$). Entonces, si el Universo se vuelve completamente "oscuro" es una cuestión de definición, pero definitivamente se vuelve completamente oscuro para todos los propósitos prácticos.

Pero el Universo se expande con una tasa de expansión acelerada. Esto significa que nuestro horizonte de eventos cosmológico, el límite más allá del cual cualquier evento que suceda ahora nunca será observable, aunque aún podamos ver eventos pasados ​​desde esa distancia, se está acercando a nosotros en coordenadas de movimiento conjunto. La consecuencia es que todas las estructuras no unidas gravitacionalmente eventualmente serán aisladas en cada una de sus pequeñas partes del Universo, más allá de las cuales solo pueden ver la historia desarrollándose hasta cierto punto en el pasado. Dependiendo de la tasa de aceleración de la expansión cosmológica, esto puede incluso romper cúmulos de galaxias o incluso galaxias individuales (o sus carbones quemados).

materia atómica

Cualquiera que sea la escala, terminaremos con islas aisladas de materia que eventualmente, si son lo suficientemente masivas, se fusionarán en agujeros negros , posiblemente algunos supermasivos. Esta materia se fusionará en agujeros negros o, a través de una larga cadena de mecanismos de descomposición, se evaporará y flotará libremente. electrones o positrones. Pero para abordar el comentario anterior de @udiboy, probablemente no habrá nueva física debido a la presencia de tantos agujeros negros, ya que sus futuros conos de luz no se superpondrán y no podrán afectarse entre sí.

Pero incluso estos agujeros negros también se evaporarán como radiación de Hawking , eventualmente dejando una sopa de electrones, positrones, neutrinos y fotones de longitud de onda muy, muy, muy diluida y libre de enlaces gravitatorios. De acuerdo con esta respuesta a una pregunta similar, la distancia entre una sola partícula será mayor que el tamaño actual del Universo observable. El Universo será efectivamente frío, oscuro y compuesto casi exclusivamente de Energía Oscura.

Materia no átmica

Pero esto es simplemente ordinario. Otras contribuciones a la densidad de la materia son la Materia Oscura y los neutrinos. Los neutrinos forman sólo alrededor$\lesssim 0.4 \%$de la densidad de Materia-Energía del Universo, pero aunque oscilan entre sus sabores, no parecen descomponerse en ninguna otra forma de materia, por lo que deberían seguir existiendo cuando todos los agujeros negros se hayan evaporado. En cuanto a Dark Matter, no sabemos realmente cómo funciona, por lo que existe cierta incertidumbre. El modelo más favorecido es algún tipo de WIMP (partículas masivas de interacción débil), que son sus propias antipartículas y, por lo tanto, pueden aniquilarse si colisionan, lo que obviamente sucedería muy, muy raramente ya que no medimos ninguna materia oscura significativa. brillan con nuestros instrumentos actuales. Se ha propuesto (consulte el artículo sugerido por @BenCrowell arriba) que podría haber mecanismos en los que las enanas blancas y las estrellas de neutrones sirvan como una especie de catalizador para capturar y aniquilar la materia oscura. similar a cómo los granos de polvo pueden convertirse en catalizadores para la formación de moléculas en el ISM. Pero dado que la colisión y, por lo tanto, la tasa de descomposición de DM es extremadamente baja (si es que puede autoaniquilarse), y dado que el catalizador NS y WD solo sería un fenómeno pasajero entre todo se rompe, creo que es seguro para supongamos que la Materia Oscura seguirá dominando la densidad de materia del Universo a muy largo plazo.

Vacío/Energía Oscura$\rightarrow$nueva inflación?

Algunas personas (incluidos Andrei Linde, Max Tegmark y Alan Guth) han especulado que las regiones en este universo de vacío/energía oscura podrían eventualmente cambiar las ecuaciones de estado para la energía oscura o el vacío (si eso no es lo mismo) y hacer que decaiga. en un campo inflacionario, causando que nazcan nuevos "Universos burbuja" en este vasto Universo vacío. De hecho, según la hipótesis de la inflación eterna , esto ya está sucediendo todo el tiempo en un enorme Universo lleno de vacío (o, de hecho, un Multiverso de Nivel II ), y lo que percibimos como "El Universo" es solo uno de esos " burbuja inflacionaria" de innumerables, si no infinitas, muchas, que eventualmente se suavizarán y se volverán una con el vacío del que provienen,