Enana negra

Diagrama de evolución estelar, mostrando las diversas etapas de estrellas con diferentes masas

Una enana negra es un remanente estelar teórico, específicamente una enana blanca que se ha enfriado lo suficiente como para dejar de emitir calor o luz significativos. Debido a que se calcula que el tiempo requerido para que una enana blanca alcance este estado es más largo que la edad actual del universo (13.800 millones de años), no se espera que existan enanas negras en el universo en este momento. La temperatura de las enanas blancas más frías es un límite observacional de la edad del universo.

El nombre "enana negra" también se ha aplicado a hipotéticas enanas marrones enfriadas en etapa tardía: objetos subestelares con masa insuficiente (menos de aproximadamente 0,07 M☉) para mantener la fusión nuclear que quema hidrógeno.

Formación

Una enana blanca es lo que queda de una estrella de secuencia principal de masa baja o media (por debajo de aproximadamente 9 a 10 masas solares (M☉)) después de haber expulsado o fusionado todos los elementos para los que tiene temperatura suficiente para fusible. Lo que queda es una esfera densa de materia degenerada de electrones que se enfría lentamente por la radiación térmica, convirtiéndose eventualmente en una enana negra.

Si existieran las enanas negras, sería difícil detectarlas porque, por definición, emitirían muy poca radiación. Sin embargo, serían detectables a través de su influencia gravitatoria. En 2012, los astrónomos encontraron varias enanas blancas enfriadas por debajo de 3900 K (clase espectral M0) utilizando el telescopio de 2,4 metros del Observatorio MDM. Se estima que tienen entre 11 y 12 mil millones de años.

Debido a que la evolución de las estrellas en el futuro lejano depende de cuestiones físicas que no se comprenden bien, como la naturaleza de la materia oscura y la posibilidad y la tasa de desintegración de protones (que aún no se ha demostrado que exista), no se sabe precisamente cuánto tardarán las enanas blancas en enfriarse hasta la oscuridad. Barrow y Tipler estiman que una enana blanca tardaría 10¹⁵ años en enfriarse a 5 K; sin embargo, si existen partículas masivas de interacción débil (WIMP), las interacciones con estas partículas pueden mantener algunas enanas blancas mucho más cálidas que esto durante aproximadamente 10²⁵ años. Si los protones no son estables, las enanas blancas también se mantendrán calientes por la energía liberada por la descomposición de los protones. Para una vida útil hipotética del protón de 10³⁷ años, Adams y Laughlin calculan que la descomposición del protón elevará la temperatura superficial efectiva de una antigua enana blanca de una sola masa solar a aproximadamente 0,06 K. Aunque fría, esto es se cree que será más caliente que la temperatura de radiación cósmica de fondo dentro de 10³⁷ años.

Se especula que algunas enanas negras masivas pueden eventualmente producir explosiones de supernova. Esto ocurrirá si la fusión picnonuclear (basada en la densidad) procesa gran parte de la estrella en hierro, lo que reduciría el límite de Chandrasekhar para algunas enanas negras por debajo de su masa real. Si se alcanza este punto, colapsaría e iniciaría una fusión nuclear desbocada. La más masiva en explotar sería de cerca de 1,35 masas solares y tomaría del orden de 10^{1100 años}, mientras que la menos masiva en explotar sería de unas 1,16 masas solares y tomaría del orden 10³²⁰⁰⁰ años, totalizando alrededor del 1 % de todas las enanas negras. Una advertencia importante es que la desintegración de protones disminuiría la masa de una enana negra mucho más rápido que los procesos picnonucleares, lo que evitaría cualquier explosión de supernova.

El futuro del sol

Una vez que el Sol deje de fusionar helio en su núcleo y expulse sus capas en una nebulosa planetaria en aproximadamente 8 000 millones de años, se convertirá en una enana blanca y, después de billones de años, finalmente dejará de emitir luz. Después de eso, el Sol no será visible al equivalente del ojo humano desnudo, eliminándolo de la vista óptica incluso si los efectos gravitatorios son evidentes. El tiempo estimado para que el Sol se enfríe lo suficiente como para convertirse en una enana negra es de unos 10¹⁵ (un cuatrillón) de años, aunque podría llevar mucho más tiempo si existen partículas masivas de interacción débil (WIMP). como se describió anteriormente. Los fenómenos descritos se consideran un método prometedor de verificación de la existencia de WIMP y enanas negras.