¿Puede una galaxia ser destruida por una sola partícula bien acelerada?

De lo que estás hablando aquí es básicamente lo mismo que una lluvia de rayos cósmicos , excepto que tendría que tener lugar en el espacio intergaláctico en lugar de en la atmósfera, y la cantidad de energía involucrada tendría que ser inimaginablemente mayor. Hay dos factores que hacen que este evento sea bastante diferente de una lluvia de aire:

1. Hay menos partículas para golpear en el espacio intergaláctico
2. Esto requeriría que la energía liberada por la formación de una galaxia entera se concentrara de alguna manera en una sola partícula.

La razón #2 es suficiente, por sí sola, para que esto nunca suceda en la práctica. Pero dado que la premisa de la pregunta parece ser que, de alguna manera, esa razón se ha pasado por alto, permítanme hacer los cálculos pertinentes.

En primer lugar, la cantidad de energía en la partícula debe ser suficiente para cancelar la energía de enlace de la galaxia y todas las estrellas y planetas que se encuentran dentro de ella. A partir de esta presentación , diapositiva 10, suponga que la energía de enlace gravitacional de la galaxia es$M(10^{-3}c)^2$, que resulta aproximadamente$10^{53}\text{ J}$ asumiendo$M \approx 10^{12}M_\odot$. Esta sería la cantidad de energía necesaria para separar la galaxia en estrellas individuales. Luego, aproximemos la cantidad de energía requerida para separar todas las estrellas, planetas, etc. en átomos como$10^{42}\text{ J}$por masa solar, lo que da otro$10^{54}\text{ J}$total. Así que la partícula entrante tendrá que tener$10^{54}\text{ J} \approx 10^{73}\text{ eV}$en el marco de descanso de la galaxia. (En realidad, un poco más porque necesita transferir algo de energía a los restos de la galaxia como energía cinética, pero este exceso es algo así como un factor de$10^{-6}$más pequeño y por lo tanto despreciable.)

Supongamos que tenemos una partícula de energía$10^{73}\text{ eV}$de alguna manera propagándose a través del universo. Ahora, no sabemos nada acerca de cómo una partícula con una cantidad tan tremenda de energía interactuaría realmente con la materia ordinaria. Una energía tan alta está firmemente en el dominio de (más allá) de la ^física del modelo estándar. Para los propósitos de una historia de ciencia ficción, podrías hacer que haga todo tipo de cosas raras.

Pero, ciñéndonos a la ciencia actual por el bien del argumento, digamos que extrapolamos ingenuamente el comportamiento conocido de la dispersión de alta energía a este$10^{73}\text{ eV}$rayo cósmico. Lo siguiente que hay que averiguar es la probabilidad de que el rayo cósmico se disperse por las partículas con las que se encuentra. Y el parámetro relevante para caracterizar esto es la energía del centro de masa al cuadrado,$s$. Para una colisión entre una partícula masiva en movimiento, con masa$m_1$y energía$E_1 = \gamma_1 m_1 c^2$, y una partícula masiva en reposo, con masa$m_2$y energía$E_2 = m_2 c^2$, esto es

$$s = m_1^2 c^4 + m_2^2 c^4 + 2E_1 E_2$$

Alternativamente, para la misma partícula masiva y un fotón que tiene energía$E_2$y se acerca a la partícula en movimiento en un ángulo$\theta$(con$\theta = 0$siendo una colisión frontal), asumiendo$E_1 \gg E_2$, la energía CM es

$$s = m_1^2 c^4\biggl(1 - \frac{E_2}{E_1}\cos\theta\biggr) + 2(1 + \cos\theta)E_1 E_2 + \text{negligible terms}$$

Asi que$s$porque una interacción entre el rayo cósmico y una partícula masiva es un valor fijo muy grande. Las interacciones de este tipo generalmente se vuelven menos probables a medida que$s$aumenta, por lo que una partícula con$10^{73}\text{ eV}$básicamente va a atravesar la materia como si no existiera. Pero para una interacción entre el rayo y un fotón,$s$varía según el ángulo. Va tan bajo como$s = (m_1 c^2)^2$, cuando$\theta = \pi$(el fotón y el rayo cósmico viajan en la misma dirección), y sube hasta más de$4E_1 E_2 \approx 10^{89}\,\mathrm{eV}^2$.

Esto es importante porque la interacción entre dos partículas es más probable en una resonancia , una energía en el centro de masa que corresponde a la masa de alguna partícula intermedia. Por ejemplo, el barión delta tiene una masa de$1232\,\mathrm{MeV}/c^2$, y por lo tanto las interacciones entre partículas cargadas y fotones son particularmente probables cuando$s = (1232\,\mathrm{MeV})^2$. El fondo cósmico de microondas (CMB) proporciona un amplio suministro de fotones que viajan en todas las direcciones y, por lo tanto, cualquier partícula cargada con suficiente energía para lograr$s \ge (1232\,\mathrm{MeV})^2$en una colisión con un fotón CMB es muy probable que lo haga rápidamente. Las partículas con una energía tan alta simplemente no se propagan muy lejos a través del espacio. Este efecto se conoce como límite GZK y el corte de energía asociado es del orden de$10^{19}\text{ eV}$(en el marco de descanso del CMB). El orden exacto de magnitud varía según el tipo de partícula involucrada, pero independientemente de qué tipo de partícula sea, cualquier cosa que tenga$10^{73}\text{ eV}$estará bien sobre él.

De hecho, un rayo cósmico de alta energía con suficiente energía para destruir una galaxia golpeará no solo la resonancia delta, sino también las resonancias de cada partícula en el modelo estándar, y cualquier partícula desconocida que pueda existir con masas más altas hasta un muy alto. límite. (Más alta que la masa de Planck, lo que subraya la necesidad de una teoría más allá del modelo estándar para explicar lo que sucede).

De todos modos, la esencia es que una partícula con esta enorme cantidad de energía producirá casi de inmediato una lluvia de otras partículas de todo tipo, con energías cayendo rápidamente a medida que avanza la lluvia. De hecho, esto es perfecto para su escenario, porque distribuye la inmensa cantidad de energía de una partícula (que, como mencioné, pasa directamente a través de la materia) a una amplia franja de partículas que está bastante bien distribuida para la destrucción de galaxias.

Entonces, uno podría considerar la cuestión de qué tan cerca de la galaxia debe producir la partícula altamente energética para que esto funcione. La respuesta a eso depende de la escala de longitud característica de la lluvia, que a su vez depende de la sección transversal de dispersión y algunas matemáticas complicadas en las que no quiero entrar ahora. Si lo descubro más tarde, regresaré y agregaré detalles, pero por ahora, mi conclusión es que si ignora la razón principal por la que esto nunca podría suceder, en realidad parece bastante plausible.

No.

A estas velocidades, tenemos que tener en cuenta la relatividad especial. La fórmula de la energía cinética relativista es

$$KE_r=mc^2 \left(\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}-1 \right)$$ Tomando el límite como $v \to c$, vemos que la energía cinética se vuelve infinita.

Entonces, en realidad, me equivoqué antes: ¡no hay límite para la cantidad de energía cinética que puede tener una partícula!

Sin embargo , una partícula tendría que tener mucha energía para destruir incluso una estrella de la manera que describiste. Tendría que tener una energía cinética tras el impacto de la energía de enlace gravitacional de la estrella :

$$U=\frac{3GM^2}{5R^2}$$ dónde $M$es la masa de la estrella y $R$es el radio de la estrella. Para una estrella como nuestro Sol , con $M=1.989 \times 10^{30}$y $R \approx 696342000$, la energía de enlace gravitacional sería $$U=\frac{3 \times 6.676 \times 10^{-11} \times (1.989 \times 10^{30})^2}{696342000} \approx 1.38 \times 10^{42} \text{ Joules}$$ Lo que significa que tendría una velocidad de . . . algo muy grande. La fórmula de la energía cinética relativista me da algo extremadamente cercano a $c$.

Si realmente quiere sacudir las cosas, tiene que arrancar los quarks constituyentes de cada protón y neutrón, lo que también es imposible. La gran mayoría de la masa en reposo del protón no se debe a la masa en reposo de los quarks, sino a su energía. Sin embargo, la fuerza nuclear fuerte es un oponente real, eh, duro , así que digámoslo de una manera, y es la más fuerte de todas las fuerzas fundamentales. Realmente no puedes vencerlo, aunque puedes intentarlo.

Ahora haz eso para todos los cientos de miles de millones de estrellas en la Vía Láctea, así como para todos los demás cuerpos de la galaxia.

Sin embargo, todo esto todavía es posible: solo necesitaría mucha energía.

No, por todas las razones que todos los demás han dicho, además de que destrozarías la partícula y todo lo que la rodea mucho antes de verter la energía necesaria en ella. Aquí hay algunos límites a la energía que puedes poner en una partícula.

2 x 10^12 K es la temperatura de Hagedorn donde los hadrones (protones, neutrones, electrones) se funden en quarks y gluones. Entonces no puedes usar un protón, tiene que ser algo más pequeño y más fundamental como un quark. Y tienes que esperar que los quarks no se descompongan en otra cosa. El LHC alcanza regularmente estas energías y aún no se ha destruido ninguna galaxia.

1,41 x 10 ^ 32 K es la temperatura de Planck por encima de la cual se rompen nuestras teorías físicas actuales. En TP, la longitud de onda del objeto es la longitud de Planck y no sabemos qué sucede entonces. Dado que la energía necesaria para desgarrar una sola estrella es de 1,38 × 10^42 julios, y se trata de una cantidad minúscula de masa, y desea desgarrar miles de millones de estrellas en una galaxia, es justo decir que lo hará. alcance la temperatura de Planck antes de que pueda obtener suficiente energía en su partícula. Aunque sería interesante ver a alguien hacer los cálculos.

Dado que necesitaría acelerar su partícula a una velocidad muy, muy cercana a la de la luz, existen problemas prácticos con respecto a cómo lograría esa aceleración una vez que esté en la región de 0.9999c. En pocas palabras, su partícula superará sus intentos de verter más energía en ella. Tiene tanta energía que curvar su trayectoria en un acelerador de partículas resultaría inviable. Tendrías que hacer un cañón de riel cósmico a escala galáctica. Nuevamente, sería interesante ver a alguien calcular los números en esto.

Y bombear demasiada energía en un espacio demasiado pequeño tiene una molesta tendencia a formar un agujero negro .

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No. Cualquier partícula a tal velocidad interactuará fuertemente con cualquier cosa en el universo, desde fotones CMB y protones de estrellas distantes hasta gravitones de ondas gravitatorias, todas estas partículas tendrán un gran desplazamiento de espectro para la partícula que se propaga. Tenga en cuenta que hay muchos fotones CMB a nuestro alrededor (son las partículas más comunes en el universo), pero no los notamos porque tienen una energía muy pequeña. Cuanto menor es la energía, más fotones hay. Entonces, el vacío cósmico, tal como lo vemos, será un medio muy denso desde el punto de vista de la partícula a tal velocidad.

Incluso pasar cualquier partícula sin colisión directa producirá ondas gravitatorias sustanciales.

Esto significa que la partícula disparada se ralentizará, perderá su energía por la radiación (tanto fotónica como gravitacional) y producirá muchas partículas nuevas.

La interacción comenzará poco después de que la partícula abandone el arma, puede estar a algunos metros de distancia. Esto producirá una gran explosión con la creación de muchos pares de materia-antimateria y radiación. Parte de ella se irradiará en todas las direcciones, no necesariamente la misma que la original, el resto producirá una enorme bola de fuego de plasma.

Esta bola de fuego después de viajar unos miles de años hacia la galaxia objetivo se enfriará y disminuirá la velocidad. Y en su interior aparecerán protoestrellas, planetoides y tal vez agujeros negros.

Al llegar a la galaxia objetivo, el resultado será como una colisión de una galaxia joven con una más vieja.

Incluso si la energía total de esta bala fuera suficiente para desintegrar la galaxia objetivo, en el momento en que alcance el objetivo, la mayor parte de la energía será radiada o en forma de cuerpos estelares, estrellas, planetas y gas, moviéndose a velocidades bastante moderadas. velocidades Prefieren fusionarse con el objetivo que desintegrarlo.

No, una galaxia es demasiado grande y de baja densidad.

Considere lo que está tratando de hacer. ¡Estás tratando de perturbar una galaxia entera! (Como nota: supongo que no considerará destruir "movió la galaxia 4 pulgadas a la izquierda". Desea ver cambios estructurales)

Obviamente necesitas impartir energía cinética a la galaxia. Realmente solo puede considerar el movimiento que es lo suficientemente rápido como para causar daños graves. Si sus partículas se vuelven demasiado lentas, no serán lo suficientemente perturbadoras como para tener un efecto real en las estructuras que la gravedad mantiene en su lugar.

Como primer intento, intentemos jugar una partida de billar. Intentemos golpear un planeta, para que podamos enviarlo a toda velocidad hacia un sol, y tratemos de hacer que el sol sea una bola de billar. De inmediato, vemos un gran problema: la aceleración. Impartir toda la energía de su partícula en un planeta no es fácil. Considere una partícula que va apenas por debajo de la velocidad de la luz (redondeada a$c$solo para simplificar las cosas). Si ese planeta fuera la Tierra, la partícula iría de un lado a otro de la tierra en 42 milisegundos. Para causar un daño real con nuestra nueva bola de billar, debe ir bastante rápido. Digamos que queremos hacer que el sol viaje 1 km/s en la dirección que elijamos golpeándolo con la Tierra. En perspectiva, eso ni siquiera es lo suficientemente rápido como para escapar de la atracción gravitatoria de la luna, pero usaremos estos pequeños números por ahora.

El sol es 330 000 veces más masivo que la tierra, por lo que la tierra tendrá que ir aproximadamente 330 000 veces más rápido que la velocidad final del sol. Necesitamos impactar la tierra para que vaya a 330 km/s. Esto debería levantar algunas cejas, porque es más rápido que la velocidad de la luz. La única forma de agregar 1 km/s a la velocidad del sol requiere acelerar la Tierra a velocidades relativistas (donde la energía cinética efectivamente agrega masa).

Ahora vemos el verdadero problema. Supongamos que estamos de acuerdo con acelerar la Tierra a SÓLO 100 km/s. No hay problema. Solo teníamos 42 milisegundos entre que la partícula golpeaba la tierra y la atravesaba. Eso corresponde a 243 kilo-G de aceleración en la tierra. Este es un número inimaginablemente alto, y ocurrirá el resultado muy imaginable: la partícula atravesará la Tierra, en lugar de llevarse la masa con ella.

Este problema ocurre siempre que necesitamos acelerar una masa a una velocidad muy alta (como el 20% de la velocidad de la luz). Cada vez que tratamos de hacer esto, tenemos que hacerlo despacio. Hacerlo rápido solo hará que la luna/planeta/sol se rompa, distribuyendo tu energía en todas las direcciones, perdiendo tu impulso. Esto ocurrirá ya sea que golpees tu luna/planeta/sol con una partícula o con otro planeta. Cada vez que necesite acelerar otras partículas a velocidades relativistas, descubrirá que simplemente las atraviesa.

Y esto es lo que hace que una galaxia sea invencible a tal actividad. Hasta que comiences a enviar agujeros negros de alta velocidad, la galaxia ni siquiera se dará cuenta. E incluso ellos no tendrán los efectos devastadores masivos que estás buscando. Considere que creemos que tenemos un agujero negro en el centro de nuestra galaxia, ¡y tiene un tamaño razonable!

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Ahora, ¿qué pasaría si realmente quisieras hacer que esto funcione? ¿Qué pasaría si fueras un dios que supiera dónde está cada partícula en todo momento, por lo que podrías lanzar tu protón relativista como un tiburón de piscina y limpiar la mesa?

Su mejor apuesta sería comenzar a millones de años luz de distancia, si no más. Alinea tu disparo para chocar con un montón de hidrógeno interestelar. Pero no golpees a cada uno de frente. Su objetivo debe ser crear una onda de presión de hidrógeno que avance. Desea que cada colisión transmita perfectamente la mitad de su impulso a la siguiente partícula para generar la reacción en cadena. Tómese su tiempo y asegúrese de marcar primero con tiza la punta del taco.

Eventualmente podrías crear una ola que actuaría como un tsunami cuando finalmente golpee la galaxia, lanzándola como un barco cangrejo en un mar tormentoso.

Por supuesto, esto suponiendo que pudieras predecirlo todo. Si pudieras hacer eso, siempre podrías simplemente jugar a la lotería. ¡Escuché que la lotería Betelgeuse pick-70 tiene un pago muy fuerte!

Sí. No hay límite para la cantidad de energía que puede poner en una partícula con masa acelerándola. No importa cuánta energía pongas, la partícula aún no alcanzará la velocidad de la luz, por lo que aún puedes agregar más energía. Suponiendo que se necesitará una cantidad finita de energía para destruir su galaxia objetivo, esto significa que su idea es teóricamente posible.

Pero en la práctica, ¿de dónde sacarías toda la energía para ponerla en tu partícula? Por supuesto que puedes obtener energía de la materia que existe en el universo. Pero me imagino que necesitarías consumir la materia de muchas galaxias para obtener la energía para destruir solo una [cita requerida].

En cuyo caso, podría ser más fácil usar su tecnología actual de consumo de galaxias en lugar del extravagante método de una sola partícula.

No. Puede causar algún daño inicialmente, pero no puede seguir haciéndolo indefinidamente.

En la primera colisión, no importa qué tan rápido se mueva la partícula, impartirá energía a las otras partículas . Para romper los enlaces que mantienen unidos a los planetas y las estrellas, será necesario convertir su energía potencial (almacenada en los enlaces) en energía cinética. Tenga en cuenta que la energía total debe permanecer igual, lo que significa que ambas partículas ahora se moverán más lentamente que la velocidad de la partícula original. Esto significa que su "avalancha de partículas" se ralentizará continuamentea medida que se agrega más y más materia, debe reducir la velocidad rápidamente para que otras partículas se muevan lo suficientemente rápido como para escapar de una gran cantidad de energía potencial (en los enlaces). Esto significa que el poder destructivo de las partículas disminuirá en consecuencia, ya que las partículas individuales no tendrán suficiente energía cinética para continuar destruyendo enlaces. Además, estas colisiones de alta energía tienden a hacer otras cosas además de destrozar cosas. Considere la fusión: las colisiones de alta energía de los átomos de hidrógeno dan como resultado la conversión de parte de la materia en luz (liberando fotones en una amplia gama del espectro) y, de hecho, superando los límites de energía necesarios para formar un enlace nuclear. En realidad, esto reduce la energía cinética general de la materia al convertir gran parte de la energía en fotones y energía potencial.

Incluso si fueraposible, sería ridículamente impráctico. Nuestra galaxia tiene más de 100.000 años luz de diámetro. Esto significa que el daño tardaría más de 100.000 años en propagarse y probablemente más tiempo para que las cosas realmente se asienten. Me imagino que los procesos naturales simplemente comenzarían de nuevo en ese momento, con nuevas nebulosas y estrellas y planetas formándose eventualmente (aunque no dentro de 100,000 años). Y esta es una de las galaxias más pequeñas que existen. Para cuando se hiciera, los habitantes de la galaxia tendrían tiempo de sobra para reaccionar o posiblemente tomar represalias (suponiendo un viaje espacial práctico). Incluso podrían encontrar una manera de detenerlo. Esto también ignora la hazaña de impartir tanta energía a una sola partícula en primer lugar sin explotarte primero,

(Se eliminaron las ideas incorrectas de las fórmulas de energía cinética. Gracias a los comentarios de HDE 226868 y BartekChom. Sin embargo, se aplica el resto).

Diría que incluso si tuviera algo con una energía extremadamente alta que golpeara el polvo interestelar, no creará un "rayo" , porque el polvo 1) se destruirá y 2) aún tendrá su componente de velocidad original y se desplazará hacia los lados. , y así esparcirse. Además, por la conservación de la energía, no creo que esto agregue energía a su ataque , aunque la extendería, lo que haría más probable que algo golpeara algo.

Lo que se relaciona con otra dificultad: incluso si tuviera una partícula que de alguna manera tuviera un impulso increíblemente alto, es posible que deba apuntarla con mucho cuidado, o lo más probable es que simplemente navegue a través de una galaxia sin contactar con ningún cuerpo significativo .

Incluso si golpeas una estrella grande con una cantidad ridícula de energía cinética enfocada, sé que no sé qué haría eso. Tal vez una buena pregunta teórica para un físico. Incluso si causas algún tipo de supernova de alta energía de la estrella que golpeas, no sé si eso resultaría en una estrella de materia también súper poderosa volando hacia afuera, o qué.

Finalmente, creo que la razón principal por la que esto probablemente nunca sucedería tendría que ver con la mecánica de cómo se podría poner tanta energía en una partícula, si la partícula no cambiaría a otra cosa durante el proceso o se descompondría en otra cosa. en el camino , y además de eso, cómo podrías obtener tanta energía en primer lugar.