Wie lange würde es dauern, bis ein Schurkenplanet in den späten Stadien des Universums verdunstet ist?

Ich habe einmal ein populärwissenschaftliches Buch gelesen, in dem der Autor berechnet hat, wie lange es dauern würde, bis die massereichsten Schwarzen Löcher aufgrund der Hawking-Strahlung verdunsten. Er behauptete, dass das Universum nach dieser Zeit die Suppe sein wird, die nur mit Elementarteilchen gefüllt ist.

Was würde jedoch mit Himmelskörpern passieren, die keine Schwarzen Löcher sind? Zum Beispiel ein Schurkenplanet von der Größe der Erde, der irgendwo im Weltraum in einem extrem kalten Universum treibt? Welche bekannten Effekte würden dazu führen, dass dieser Planet verdunstet? Wie lange würde es dauern?

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Die Ära der Schwarzen Löcher wird so genannt, weil zu diesem Zeitpunkt nur noch Schwarze Löcher und Elementarteilchen übrig bleiben.

Es sollte beachtet werden, dass es derzeit keine Hinweise auf einen Protonenzerfall gibt, weshalb diese Phase des Universums streng theoretisch ist.

Quelle:

• Der Verfall des Himmels - DeepAstronomy.com

Diese Seite des Physikers John Baez erklärt, was langfristig mit Körpern geschehen wird, die nicht massiv genug sind, um in schwarze Löcher zu kollabieren, wie Schurkenplaneten und weiße Zwerge, vorausgesetzt, sie kreuzen sich nicht mit bereits existierenden schwarzen Löchern und werden absorbiert. Kurze Antwort: Sie verdunsten aus Gründen, die nichts mit Hawking-Strahlung zu tun haben. Es ist anscheinend nur eine thermodynamische Angelegenheit, vermutlich aufgrund der inneren Wärmeenergie des Körpers, die regelmäßig dazu führt, dass Partikel auf der Oberfläche zufällig genug kinetische Energie erhalten, um die Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen und dem Körper zu entkommen (der Wiki-Artikel hier erwähnt, dass dies als „Jeans-Flucht“ bekannt ist '). Hier ist die vollständige Diskussion:

Okay, jetzt haben wir ein paar isolierte schwarze Zwerge, Neutronensterne und schwarze Löcher zusammen mit Atomen und Molekülen von Gas, Staubpartikeln und natürlich Planeten und anderen Rohstoffen, die alle sehr nahe am absoluten Nullpunkt liegen.

Während sich das Universum ausdehnt, breiten sich diese Dinge schließlich bis zu dem Punkt aus, an dem jeder in der Weite des Weltraums völlig allein ist.

Was passiert als nächstes?

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Zum Beispiel neigt alles außer den Schwarzen Löchern dazu, sich zu "sublimieren" oder zu "ionisieren", wobei trotz der niedrigen Temperatur allmählich Atome oder sogar Elektronen und Protonen verloren gehen. Um genau zu sein, betrachten wir die Ionisierung von Wasserstoffgas - obwohl das Argument viel allgemeiner ist. Wenn Sie eine Schachtel Wasserstoff nehmen und die Schachtel weiter vergrößern, während die Temperatur konstant bleibt, wird sie schließlich ionisieren. Dies geschieht unabhängig davon, wie niedrig die Temperatur ist, solange es nicht genau der absolute Nullpunkt ist - was nach dem 3. Hauptsatz der Thermodynamik sowieso verboten ist.

Das mag seltsam erscheinen, aber der Grund ist einfach: Im thermischen Gleichgewicht minimiert jede Art von Material seine freie Energie, E - TS: die Energie minus der Temperatur mal der Entropie. Dies bedeutet, dass es einen Wettbewerb zwischen dem Wunsch, seine Energie zu minimieren und dem Wunsch, seine Entropie zu maximieren, gibt. Die Maximierung der Entropie wird bei höheren Temperaturen wichtiger. Die Minimierung der Energie wird bei niedrigeren Temperaturen wichtiger - aber beide Effekte sind wichtig, solange die Temperatur nicht Null oder unendlich ist.

[Ich werde diese Erklärung unterbrechen, um festzustellen, dass jedes vollständig isolierte System auf lange Sicht nur seine Entropie maximiert. Dies gilt nicht für ein System, das mit einem umgebenden System in Kontakt steht. Angenommen, Ihr System ist mit einer viel größeren Sammlung von Umgebungen verbunden (z. B. in eine Flüssigkeit oder sogar ein Meer kosmischer Hintergrundstrahlung eingetaucht), und das System kann Energie in Form von Wärme mit der Umgebung austauschen (was sich nicht nennenswert ändert Die Umgebungstemperatur unter der Annahme, dass die Umgebung viel größer als das System ist, wobei die Umgebung ein sogenannter Wärmespeicher ist), aber sie können keine anderen Mengen wie Volumen handeln. Dann entspricht die Aussage, dass die Gesamtentropie von System + Umgebung maximiert werden muss, der Aussage, dass das System allein eine Menge minimieren muss, die als "Helmholtz-freie Energie" bezeichnet wird, worüber Baez in diesem letzten Absatz spricht - siehe dies Antwort oder diese Seite . Und wenn sie sowohl Energie als auch Volumen handeln können, ist die Maximierung der Gesamtentropie von System + Umgebung gleichbedeutend damit, dass das System selbst eine geringfügig andere Menge minimieren muss, die als "Gibbs-freie Energie" bezeichnet wird (was der Helmholtz-freien Energie entspricht) plus Druckzeiten ändern sich im Volumen), siehe "Freie Energie von Entropie und Gibbs" hier .]

Überlegen Sie, was dies für unsere Wasserstoffbox bedeutet. Einerseits hat ionisierter Wasserstoff mehr Energie als Wasserstoffatome oder -moleküle. Dies führt dazu, dass Wasserstoff in Atomen und Molekülen zusammenkleben möchte, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Andererseits hat ionisierter Wasserstoff mehr Entropie, da die Elektronen und Protonen freier wandern können. Und dieser Entropiedifferenz wird immer größer, wenn wir die Box größer machen. Egal wie niedrig die Temperatur ist, solange sie über Null liegt, wird der Wasserstoff schließlich ionisieren, wenn wir die Box weiter ausdehnen.

(Tatsächlich hängt dies mit dem bereits erwähnten "Abkochen" -Prozess zusammen: Wir können mithilfe der Thermodynamik sehen, dass die Sterne die Galaxien abkochen, wenn sie sich dem thermischen Gleichgewicht nähern, solange die Dichte der Galaxien niedrig genug ist. )

Es gibt jedoch eine Komplikation: Im expandierenden Universum ist die Temperatur nicht konstant - sie nimmt ab!

Die Frage ist also, welcher Effekt gewinnt, wenn sich das Universum ausdehnt: die abnehmende Dichte (die Materie zum Ionisieren bringt) oder die abnehmende Temperatur (die sie dazu bringt, zusammenzuhalten)?

Kurzfristig ist dies eine ziemlich komplizierte Frage, aber auf lange Sicht können sich die Dinge vereinfachen: Wenn sich das Universum dank einer kosmologischen Konstante ungleich Null exponentiell ausdehnt, geht die Dichte der Materie offensichtlich auf Null. Die Temperatur geht aber nicht auf Null. Es nähert sich einem bestimmten Wert ungleich Null! Alle Formen von Materie aus Protonen, Neutronen und Elektronen werden schließlich ionisieren!

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Dies ist sehr kalt, aber bei einer ausreichend geringen Materiedichte reicht diese Temperatur aus, um schließlich alle Formen von Materie aus Protonen, Neutronen und Elektronen zu ionisieren! Sogar etwas Großes wie ein Neutronenstern sollte sich langsam auflösen. (Die Kruste eines Neutronensterns besteht nicht aus Neutronium, sondern hauptsächlich aus Eisen.)