¿Qué sucederá si se arroja al sol una bola de hielo con la masa del sol?

La pregunta es un poco poco realista dadas las circunstancias, pero supongamos que hay un cubo de hielo enfriado hasta aproximadamente el cero absoluto y está a unos 1000 km (alrededor del sol) del sol y se mueve con v_0 = 1000 km / seg, ¿cuál será si que toda el agua con masa de sol llega al sol.

ACTUALIZAR

Básicamente, he leído sobre esto en gizmodo http://gizmodo.com/could-the-sun-be-extinguished-by-a-bucket-of-water-just-1669914928 pero no estuve de acuerdo, por eso he decidido pregunte sobre este fenómeno aquí, con la esperanza de encontrar una respuesta más precisa

¡Eso es un gran cubo de hielo, amigo!
¿Quiere decir qué sucederá si tenemos una masa de hielo igual a la masa del sol enfriada a 0K y la "vertemos" sobre el sol?
@ziggy, sí, me refiero a lo que escribiste. Por cierto, escribí "sobre el cero absoluto"
posiblemente podría usar mc∆(Et)=-MC(ET)
Si enjaula al sol con hielo bajo cero, tal vez no pase nada, pero si arroja una bola gigante de hielo tan grande como el sol (suponiendo que se niegue la presión interna) al Sol, calculé que la gravedad tanto de la bola de hielo como del sol se destrozarán en un choque del enfrentamiento de titanes muahahahaha
¿Ya ha preguntado en el único lugar adecuado para este tipo de preguntas?
¿Cómo mantendrías tanta masa en el cero absoluto? La gravedad colapsaría el núcleo en plasma, y ​​probablemente después de un tiempo estaría tan caliente como cualquier estrella en la superficie.
@Superbest, ignoremos esa parte, se puede rodear todo el espacio cerca del sol, por ejemplo.

Respuestas (6)

Este sería un evento altamente energético, un colapso gravitatorio en combinación con la velocidad inicial de entrada de 1000 km/s (que es mayor que la velocidad de escape en la superficie del sol).

Habría algún tipo de evento de nova inicialmente porque el hidrógeno ya presente en el sol sería comprimido por el nuevo material que cae, mejorando en gran medida la fusión. Parte del material puede ser expulsado y convertirse en una nebulosa en el evento de nova; la energía de rebote sería un factor además de la fusión mejorada, como en una supernova de colapso del núcleo.

El agua se disociaría en hidrógeno atómico y oxígeno.

Del material no expulsado en el evento de nova, el oxígeno eventualmente formaría un núcleo en el centro de una estrella, con elementos más livianos (H, He) formando una capa alrededor del núcleo.

Lo que suceda a partir de ahí depende de la masa restante.

Si la masa restante es inferior a 1,39 masas solares (el límite de Chandrasekhar ), la estrella eventualmente se convertiría en una estrella enana blanca inerte , con el núcleo de oxígeno sostenido por la presión de degeneración de electrones e incapaz de experimentar la fusión de oxígeno . Si quedan más de 1,39 de masa solar, la estrella podría convertirse en una estrella de neutrones .

¿Estás seguro de que el oxígeno puede llegar al núcleo tan rápido? La mayor parte de la estrella no es convectiva, por lo que la única forma de llegar al núcleo es mediante el movimiento browniano. Aproximadamente estimé que tomará 10 24 segundos ( 10 dieciséis años) para viajar a una distancia de un radio solar, pero eso es mucho más que el tiempo de vida estimado del Sol y la partícula puede viajar esa distancia en cualquier dirección dentro del Sol.
Esto parece ser en gran parte especulación. ¿Alguien ha hecho un cálculo para una estrella de 2 masas solares que es ~ 50% de metales? El asentamiento gravitacional @MFH puede ser muy efectivo en zonas radiativas. Sin embargo, las fuerzas radiativas se opondrían a la sedimentación del oxígeno de las capas exteriores.
@MFH Debería caer muy rápido al principio porque la parte exterior del sol tiene una densidad menor que el hielo. El sol solo alcanza la densidad del agua a 0,5 radios. Si tiene un lago inmóvil de una milla de profundidad con solo movimiento browniano, y a través de una roca, aún se hundirá rápidamente. solarscience.msfc.nasa.gov/images/Dalsgaard1_density_vs_r.jpg
@RobJeffries tienes razón, es principalmente especulación. Con toda la investigación sobre el colapso del núcleo de las supernovas, nadie ha resuelto realmente ese problema, y ​​esto podría ser igualmente complejo. El proceso de supernova está dictado principalmente por la masa del núcleo, colapsando cuando el núcleo excede el límite de Chandrasekhar. Aquí, la velocidad inicial de 1000 km/s es realmente enorme. ¿En qué punto la fusión + la presión de degeneración serán suficientes para revertir la energía cinética inicial + la energía cinética obtenida del colapso de la gravitación? ¿Cuáles serán los productos del colapso inicial, que estaría en la escala de tiempo de segundos?
Estás bien. Me perdí el número de 1000 km/s. Entonces esto es simplemente una locura; eso es energía más que suficiente para liberar al Sol.

Si el hielo está "alrededor del sol", no veo cómo puede moverse a una velocidad de 1000 m/s hacia adentro. La masa del sol es 2 ⋅ 10 30 k gramo y el radio 7 ⋅ 10 8 metro .

El grosor de una capa de hielo con ese radio interior y esa masa sería (suponiendo que la densidad habitual del hielo es aproximadamente 0,9x la del agua líquida) aproximadamente 10 8 metro . Probablemente sea lo suficientemente grueso como para resistir la atracción gravitacional del sol; ciertamente detendrá la mayor parte de la radiación solar.

Para llevar un gramo de hielo desde el cero absoluto hasta que se derrita, se necesitan aproximadamente 273*4,2+334=1500 J. El sol se apaga aproximadamente 4 ⋅ 10 26 W - asumiendo que el hielo absorbería todo ese calor, tomaría 8 ⋅ 10 9 segundos para derretir todo el hielo - un poco más de 200 años.

Durante todo ese tiempo, el sol continuaría felizmente produciendo energía, pero espero que toda la vida en la tierra haya cesado para cuando comience a brillar nuevamente.

Una pregunta obvia: ¿sería estable la "capa de hielo" esférica para soportar el tremendo estrés gravitacional? ¿Se derretiría bajo la presión? ¿La presión del vapor generado empujaría el agua/hielo hacia afuera? Sería interesante analizar más a fondo esas cuestiones. Sospecho que la conclusión general - que una capa de agua de 100.000 km de espesor "apagará las luces de la Tierra" no se verá alterada por estos detalles - porque esa agua seguirá estando entre la Tierra y el Sol, independientemente de la distancia y el fase.

actualización - algunos pensamientos adicionales.

Primero, la resistencia al aplastamiento del hielo es bastante baja: no más de aproximadamente 1000 psi (7 MPa) según este informe del USGS . Obviamente, eso es muchos órdenes de magnitud menor que la presión en el interior de la capa de hielo de 100.000 km de espesor. La distancia promedio de la concha (punto medio) es 7.5 ⋅ 10 8 metro desde el centro del Sol, y por lo tanto experimentará una aceleración gravitatoria de

a = GRAMO METRO R 2 = 6.7 ⋅ 10 − 11 ⋅ 2 ⋅ 10 30 ( 7.5 ⋅ 10 8 ) 2 = 240 metro / s 2

Por lo tanto, la presión sobre la superficie interna es aproximadamente

PAGS = ρ a t = 0.9 mi 3 ⋅ 240 ⋅ 1 mi 8 = 2.5 ⋅ 10 13 PAGS a = 22 T PAGS a

Una pregunta obvia: ¿qué le sucede al hielo a esa presión? El diagrama de fase que pude encontrar (en esta ubicación ) "solo" sube a 1 TPa, pero sugiere que el hielo "realmente frío" de hecho permanece sólido a estas presiones (a diferencia del hielo ligeramente más cálido como el que normalmente encontramos, esto sería hielo "fase XI hexagonal").

ingrese la descripción de la imagen aquí

La siguiente pregunta interesante es la de la formación de vapor. Si arrojamos un cierto volumen de hielo al sol (dentro de la capa de hielo cerrada), ¿qué sucede con la presión? Presumiblemente, la presión aumentaría un poco, pero en realidad no es relevante, porque nuevamente, a la presión que tendría que generar para soportar la capa de hielo, la densidad del agua tendría que ser muy alta, de hecho, no lo haría. ya no sería un gas, sino un sólido (o al menos con una densidad comparable a la de un sólido; estaríamos en una parte del diagrama de fases que no se da).

Finalmente, la cuestión de la energía potencial del hielo y el impacto de la liberación de esta energía en la ecuación general. A los efectos de este cálculo, no podemos simplemente suponer que las cosas caen hacia el centro del sol; incluso los fotones que se generan en el centro del sol tardan mucho en difundirse a la superficie, por lo que podemos suponer lo mismo. es cierto para el agua. Supongamos, por tanto, que el agua simplemente cae a la superficie. Mientras que el interior del caparazón solo cae 1000 km, en promedio el hielo caería 50,000 km. La fuerza de gravedad se puede considerar (de primer orden) constante en esta distancia, por lo que el trabajo realizado sobre 1 kg de hielo sería

W = F ⋅ d = 240 norte ⋅ 5 ⋅ 10 7 metro = 12 GRAMO j

El hielo que cayó desde el interior de la cáscara (el primer hielo que se derrite) tiene menos energía, es decir

W = 240 norte ⋅ 10 6 metro = 240 METRO j

y por ahora estoy ignorando la afirmación de que el hielo se mueve a 1000 km/s (de la pregunta original), ya que eso significaría que 1 kg de hielo tiene una energía cinética de 1 2 metro v 2 = 500 GRAMO j .

Se mire como se mire, es una cantidad de energía muy considerable. Sugiere que a medida que el hielo comienza a derretirse desde el interior del caparazón, el agua que golpea la superficie del sol en realidad lo calentará, acelerando el derretimiento del resto del hielo. Por lo tanto, todo el proceso llevará mucho menos tiempo de lo que calculé inicialmente: habrá una reacción descontrolada.

Solo para calibrarnos: todo ese hielo que choca contra el sol agrega alrededor de 12 GJ/kg * 2E30 kg = 2,4E40 J al sol. Si nada de esa energía se transfiriera al sol, provocaría un aumento de la temperatura del agua de unos 3 millones de grados. Solo de la energía potencial (no de la energía cinética inicial). Eso es mucho más caliente que el sol, por lo que habría una reacción de fusión descontrolada.

Entonces, ¿parece que después de un breve tiempo cuando el sol está oscuro (mucho menos de 200 años), brillaría muy, muy intensamente? Todavía parece un sistema solar incómodo.

ACTUALIZAR 2

Un pensamiento más. Si el hielo fuera un poco menos denso, de modo que estructuralmente todo pudiera caer a la superficie del sol, la capa de hielo de 100 000 km de espesor (a una velocidad inicial de 1000 km/s) tardaría solo 100 segundos en caer. el sol. En promedio, cada trozo de hielo caería solo 1000 km, y la mayor parte de la energía disipada sería la energía cinética inicial (500 GJ/kg, mucho más que la energía gravitacional de 240 MJ/kg).

Esto calentaría brevemente la superficie del sol a una temperatura de más de 100 millones de grados, más caliente que el núcleo del sol. Entonces, en ese caso, el sol podría parpadear brevemente (mientras el hielo aún actúa como un escudo), pero muy rápidamente, todo terminaría para la tierra. Por supuesto, a esa temperatura tendrían lugar todo tipo de reacciones de fusión, y una inmensa cantidad de calor irradiaría desde la superficie del sol.

Me recuerda a la canción de Tom Lehrer - "Iremos todos juntos cuando nos vayamos"

No habrá más miseria
cuando el mundo sea nuestro asador
, sí, todos freiremos juntos cuando freímos.

¿ Algunas pequeñas formas de vida alrededor de los respiraderos termales de aguas profundas podrían sobrevivir? Aunque pequeño consuelo.
@RedGrittyBrick Estoy apostando al hecho de que esta capa de hielo no aparecerá repentinamente, en lugar de comprar acciones en pequeñas criaturas marinas...
La gravedad dentro de un cuerpo esférico es ejercida solo por la parte interna, por lo que la capa caerá sobre el Sol mientras se está derritiendo. ¡Buena respuesta, seguramente más precisa que la mía!
@MFH - gracias; sí, me doy cuenta de que la cáscara se derretiría de adentro hacia afuera. No calculé la tensión en la capa de hielo, y si colapsaría por su propio peso (o sería soportada por el vapor sobrecalentado que produce cuando se derrite). Todas las preguntas interesantes...
Creo que en realidad sería mucho más rápido que 200 años: estás ignorando el calentamiento por el calor del Sol original. Por lo tanto, es un gran límite superior, pero el valor real probablemente sea sustancialmente más bajo. Aunque llevaría un tiempo recuperar el calor perdido, eso solo se manifestaría como una ligera disminución en la producción del Sol, y si se tiene en cuenta la presión central adicional, probablemente seguirá siendo una producción de energía mucho mayor que la media masa. sol originario.
una capa esférica de masa solar no resistiría su propia gravedad, y mucho menos la del sol. Incluso sin la velocidad inicial de 1000 m/s especificada en la pregunta, el caparazón colapsaría inmediatamente y la energía potencial gravitacional se convertiría en energía cinética enfocándose en el centro y energía térmica de la colisión inelástica y la deformación.
La pregunta es / era 1000 km / s , lo que hace que las cosas sean bastante diferentes ...
@RobJeffries: en realidad calculé que si el hielo se moviera tan rápido, tendría una cantidad fantástica de energía cinética. Pero parece que simplemente no hay espacio para que se vaya todo ese hielo: se pondría horriblemente a su manera. Tal vez si no es del todo uniforme, o no es totalmente denso, podría salirse con la suya. Pero con una masa igual a la del sol, la energía cinética involucrada sería simplemente astronómica.
@Floris sí, el hielo se interpondría en su propio camino, pero esa es una versión más suave de lo que sucede en la supernova del colapso del núcleo, el núcleo de hierro es extremadamente denso y colapsa hacia adentro sobre sí mismo a ~ 0.2c (60,000 km / s), 100,000 km /s según abyss.uoregon.edu/~js/ast122/lectures/lec18.html
@DavePhD: no creo que haya suficiente energía para convertir el sol en una supernova con "solo" esa cantidad de hielo ... todavía estamos un par de órdenes de magnitud por debajo de la temperatura. 1000 km/h = 0,003 c.
@Floris Si una enana blanca de carbono y oxígeno acumula materia de otra fuente, hasta que supera las 1,4 masas solares, hay una supernova de tipo 1a. Las supernovas debidas a enanas blancas de oxígeno-neón que acumulan material también se analizan en la literatura. Aquí tenemos 0,9 masas solares de oxígeno más 1,1 de hidrógeno en su mayoría. Creo que incluso con una velocidad inicial de 0 podría haber una supernova.
@DavePhD - concedido; una vez que el material llegue al núcleo del sol, habrá una gran inestabilidad. El punto de mi cálculo era que las cosas prosperarían incluso sin esa consideración.
Con las energías que proporciona esta situación, dudo que haya tiempo para la termalización de nada.

No puedes tener una "bola de hielo con la masa del sol", porque el hielo en el medio de la bola no sería lo suficientemente fuerte para soportar el peso del hielo encima. En cambio, el hielo colapsaría por su propia gravedad .

Esto haría que la presión y la temperatura dentro de la bola aumentaran hasta que las moléculas de agua que forman el hielo se rompieran en un plasma de átomos libres de oxígeno e hidrógeno (posiblemente un poco después de que el hielo se derritiera y luego se evaporara, aunque, sinceramente, No estoy seguro de si alguien sabe cómo se comporta el agua a presiones tan extremas), y el hidrógeno comenzaría a fusionarse (presumiblemente, dado el abundante oxígeno, a través del ciclo CNO ). Esto aumentaría aún más la temperatura y la presión en el núcleo, y el aumento de la presión de la reacción de fusión finalmente detendría el colapso gravitatorio.

Básicamente, si tuvieras una bola de hielo con la masa del sol, muy rápidamente se convertiría en un sol . Un sol bastante extraño, sin duda (al menos si eres astrofísico), debido al absurdamente alto contenido de oxígeno, pero un sol al fin y al cabo.

Por supuesto, el hecho de que tu bola de hielo se haya convertido en una bola de plasma brillante no impide que la arrojes al sol. Lo que obtienes, si haces eso, es básicamente una colisión estelar . Desafortunadamente, todavía no sabemos mucho sobre los detalles de lo que sucede en tales colisiones, porque son eventos bastante raros y breves, pero un resultado probable es que las estrellas se fusionen y formen una estrella única, más grande y más caliente. Con mucho oxígeno del hielo.

Entiendo las partes poco realistas de la pregunta, pero ignoremos esa parte, podemos suponer que el hielo no es como una pelota, sino como cuerdas que se mueven hacia el sol. El momento clave que quiero entender es cómo el agua a temperatura cercana al cero absoluto puede cambiar la estrella como un sol. No puedo entender el punto en el artículo donde está escrito que hará que el sol sea más caliente. De todos modos gracias por responder
@Aram, ha confundido la posibilidad de respuestas sensatas y no especulativas al suponer que el hielo tiene una energía cinética que excede la energía de enlace gravitacional del Sol. La temperatura del hielo es irrelevante.

A corto plazo, el hielo se evaporaría al caer. Se mezclaría con el sol y formaría una estrella extrañamente rica en metales del doble de masa. Tal estrella tendría una envoltura mucho más opaca. Esto lleva a que (una vez que se alcanza el equilibrio) la estrella final sea mucho menos luminosa y más fría que una estrella de 2 masas solares de composición más normal.

Probablemente sería más frío y menos luminoso que el Sol (y por lo tanto viviría mucho más), pero es difícil decir cuánto sin un cálculo detallado de la evolución estelar. El resultado cualitativo es correcto, pero la extrapolación de las fórmulas habituales para las estrellas de la secuencia principal a estas extrañas metalicidades no puede ser cuantitativamente precisa.

Una complicación interesante podría ser el asentamiento gravitacional y la separación del oxígeno y los elementos más livianos. Creo que hay varias fuentes de turbulencia (por ejemplo, la mezcla termohalina) que evitarían esto, pero dudo que esto haya sido probado teóricamente en una estrella con abundancias tan locas.

Editar: lo anterior sería cierto para una colisión en caída libre. Perdí el punto de unos 1000 km/s, que domina por completo la energía de todo el escenario. Esta es suficiente energía para desvincular completamente al Sol (en un orden de magnitud), por lo que es difícil dar una respuesta no especulativa.

Lo primero que notarás es que el Sol deja de brillar. Todavía produce calor y luz, pero todo se detiene por la gruesa capa de hielo frío.

El Sol, sin embargo, no es completamente frío. El núcleo sigue activo, incluso más que antes. Duplicaste la masa, por lo que el Sol tiene una presión más alta y, por lo tanto, puede fusionar fácilmente átomos de hidrógeno. El resultado neto es más calor producido y una vida útil más corta.

A la larga, el calor se filtrará a la superficie y el Sol volverá a brillar. Admito que no he hecho ningún cálculo, pero creo que el Sol puede tardar varios millones de años en volver a brillar.

Los científicos en la Tierra podrían decir que el Sol todavía está activo. Cuando dije que todo está detenido, no fue del todo exacto. Los neutrinos no se ven particularmente afectados por la nueva capa y se pueden medir en la Tierra como antes. No es que pueda dar ninguna esperanza, si adiviné la escala de tiempo correctamente. Casi todas las formas de vida en la Tierra se extinguirían mucho antes de que el Sol vuelva a brillar.

¿La caída de temperatura en las capas superiores disminuirá la presión? Y si es así, ¿las reacciones del núcleo explotarán las capas externas?
No, se aumentará la presión. La presión se equilibra con la expansión térmica. Con menos velocidad en la capa externa, las partículas solo pueden caer hacia el centro. No estoy seguro de una posible explosión. Puede agregarse si el calentamiento es lo suficientemente rápido, supongo.
Sospecho que has subestimado los efectos de la colisión inelástica. Con 1Mm/s, todavía no estaríamos en el reino relativista, pero aun así los efectos serían espectaculares. Estamos hablando del equivalente al 0,3% de la masa solar en aniquilación espontánea o aproximadamente 200 supernovas de tipo 1a.
@AramTadevosyan: punto crucial, no hay caída de temperatura si las cosas caen. La gravedad del sol es demasiado fuerte para cualquier cosa fría que caiga en él, para que todavía esté frío (en promedio) en el momento en que alcanza e interactúa con la "superficie ". Considere lo que sucede con los meteoritos que golpean la superficie de la tierra. De hecho, todavía pueden estar fríos en el medio, si sobreviven piezas grandes, pero el impacto genera mucho calor y no están fríos en promedio después del impacto una vez que se cuenta todo el paisaje vaporizado. Si la capa de hielo de alguna manera no cae, puede permanecer fría hasta que el Sol la caliente.
@Aron KE de hielo = 1E42 J. ¿La energía en una supernova de tipo Ia es de aproximadamente 1E44 J?
@RobJeffries tienes razón. Desordenado en el cálculo de KE. Aún así, las energías aquí son más que suficientes para cualquier propósito.

El primer y más importante efecto de tener dos cuerpos del tamaño de un sol en nuestro sistema solar muy cerca uno del otro es que este nuevo sistema desviará el movimiento planetario de su curso y habrá caos (caos perceptible justo en el momento en que asumimos el hielo apareció a 1000 km del sol de la nada). La atracción gravitacional será el doble de lo que es ahora, la Tierra, incluidos todos los planetas, comenzará a girar en espiral en lugar de rutas elípticas hasta que encuentren la "paz" (equilibrio entre la velocidad orbital y la atracción gravitatoria) en una nueva órbita. Es posible que no estemos allí para ver las secuelas de la colisión.

Pero a continuación está lo que creo que sucederá después de la colisión: dado que el agua no es más que 2 partes de hidrógeno y 1 parte de oxígeno, y el hidrógeno es el combustible básico en la reacción de fusión que ocurre en el sol. Entonces, básicamente, el sol brillará más, ya que el hidrógeno y el oxígeno del agua (hielo) se descompondrán, lo que dará como resultado una mayor cantidad de reactivos y, por lo tanto, la velocidad de reacción (hidrógeno + hidrógeno -> helio + energía) aumentará significativamente.

Realmente no. La mayoría de las estrellas no son convectivas, es decir, la mayor parte de la materia en su interior es casi estática. El hidrógeno agregado nunca llega al núcleo, donde se agrega la fusión. Es la presión la que aumenta la velocidad de reacción.
La energía potencial de la materia en el sol es un orden de magnitud menor que la energía cinética del cubo de hielo que el OP le está lanzando. Entonces, en lugar de hacer que este material se deposite en el sol, la mayor parte se calentaría tanto que se evaporaría en el espacio, dejando atrás una estrella mucho más pequeña. Dado que el núcleo es extremadamente caliente, la eliminación de la capa exterior conduciría a una enorme expansión del núcleo, lo que detendría todas las reacciones nucleares, pero probablemente dejaría muy poco material después de que la nube de plasma en expansión se haya enfriado.
@MFH El agua se descompone en hidrógeno y oxígeno a alrededor de 2500 C ( en.wikipedia.org/wiki/High-temperature_electrolysis ), por lo que pienso que para cuando el gran trozo de hielo llegue al sol, ya no será ICE, sino será una nube de hidrógeno y oxígeno. Dado que habrá un aumento en la masa del sol y también habrá una enorme energía a medida que los cuerpos de 1 masa solar cada uno colisionen en el centro de nuestro sistema solar, puede aumentar la presión y la temperatura en la superficie con seguridad y, por lo tanto, podría ser posible. fusión que suceda en la superficie del sol.
@CuriosOne La masa de hielo es 1 masa solar, y está significativamente cerca del sol. El pozo gravitatorio del sol se hará más grande y más profundo, por lo que el oxígeno y el hidrógeno no podrán escapar del sol y, finalmente, chocarán con el sol. .
@JammuPapa: No es tan fácil. El perfil de presión no es lineal y el antiguo "límite" del Sol todavía está casi cerca de la nueva superficie. El núcleo aumenta, pero no lo suficiente como para encerrar todo el viejo Sol.
¿Qué sucederá si se arroja al sol una bola de hielo con la masa del sol?
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