En supposant que la désintégration des protons est fausse, quel est le sort ultime d'une étoile à neutrons ou d'une naine blanche?
Une théorie encore non prouvée selon laquelle les protons peuvent se désintégrer et avoir une demi-vie de $10^{30}$années environ, ce qui signifie que toute matière finira par se dissoudre parce que leurs protons constitutifs et donc les neutrons se désintégreront. Mais cela reste à prouver. Donc, en supposant que ce soit faux , quel serait le sort ultime d'une étoile à neutrons ou d'une naine blanche? Que deviendrait-il en$10^{50}$, $10^{100}$ années?
Réponses
C'est une question classique en eschatologie physique , voir ce qui se passe si nous extrapolons la compréhension actuelle de l'astrophysique vers l'avant. Les articles classiques sont (Dyson 1979) et (Adams & Laughlin 1997) .
Évidemment, sur de très longues périodes de temps, les naines blanches se refroidissent, se cristallisent. et devenir des «nains noirs». Ceci est assez bien établi à partir de l'observation et de la modélisation, bien que les étapes finales n'aient pas été beaucoup étudiées.
Si de la matière noire faiblement interagissante peut être capturée, les objets denses acquerront des halos internes: dans ce cas, si la matière noire est un mélange de particules et d'antiparticules, il y aurait une annihilation, chauffant l'objet pendant longtemps. S'il n'est pas annihilant en principe, il pourrait s'accumuler jusqu'à ce que l'objet implose dans une étoile à neutrons ou un trou noir. Cela dépend fortement du modèle de matière noire, donc cela doit être considéré comme conjectural.
Cependant, il est assez bien établi que les galaxies se dissolvent en raison d'interactions gravitationnelles sur de longues échelles de temps, ce qui déversera ces objets dans le trou noir central avant qu'ils ne puissent vraisemblablement subir un effondrement, ou les éjecter dans un espace intergalactique où ils n'acquériraient plus de matière noire. .
Le sort des naines noires intergalactiques et des étoiles à neutrons sans désintégration des protons dépend des autres modes de désintégration et de changement possibles. Chez les naines blanches, la fusion pycnonucléaire se poursuivrait jusqu'à ce que tous les éléments fusibles aient fusionné. Dyson a estimé le délai jusqu'à ce que tout soit$10^{1500}$ans, bien qu'il y ait des effets environnementaux chez les naines blanches qui accélèrent probablement les choses. Cela peut en fait faire s'effondrer des naines blanches plus lourdes (au-dessus de 1,2 masse solaire) en supernovas sur une échelle de temps de$10^{1100}$ans ( Caplan 2020 ).
Dyson a noté que sur des échelles de temps $10^{65}$années, la matière se comporte comme un fluide quantique en raison du tunnel. Mais cela ne change pas beaucoup la structure des objets restants. Un problème plus important peut être le tunneling dans les états de trou noir où une petite partie de l'objet s'unit pour former un petit trou noir qui s'évapore. Adams et Laughlin estiment des délais de$10^{45}$ ans pour les étoiles à neutrons et $10^{336}$ années pour que les naines blanches s'évaporent de cette façon.
Même si cela ne se produit pas, il y a un argument à faire valoir que les fluctuations thermodynamiques finissent par dissoudre les objets liés car cela minimise l'énergie libre de Gibbs $E-TS$: à une température finie (qui est l'hypothèse standard pour accélérer l'expansion dans $\Lambda$CDM) s'il y a suffisamment d'espace, l'entropie $S$peut être maximisée en séparant les particules malgré une certaine énergie de liaison: le tunnelage finira par tout dissoudre. Ceci est similaire à la discussion sur le paradoxe de Herzfeld de l'ionisation spontanée des atomes d'hydrogène . La simple présence d'autres matières «en dehors du laboratoire» stabilise normalement les systèmes liés, mais dans un avenir très lointain, les systèmes isolés deviennent déstabilisés. Cela suppose que (1) les températures resteront finies (c'est-à-dire que notre compréhension du rayonnement de l'horizon et de l'expansion accélérée continue est juste), (2) il n'y a pas d'autres limites à la dissociation, (3) l'argument de l'énergie de Gibbs est valide dans ce contexte. Les trois peuvent être débattus.
Dans l'ensemble, la tendance semble être que la maximisation de l'entropie aura tendance à dissoudre les objets en particules isolées tandis que la gravité les maintient simplement ensemble ou provoque une implosion dans les trous noirs par une voie, suivie par l'évaporation.