In che modo la stella di neutroni collassa nel buco nero?


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Conosciamo le spettacolari esplosioni di supernovae che, quando sono abbastanza pesanti, formano buchi neri. L'emissione esplosiva sia di radiazioni elettromagnetiche che di enormi quantità di materia è chiaramente osservabile e studiata abbastanza accuratamente. Se la stella fosse abbastanza massiccia, il residuo sarà un buco nero. Se non fosse abbastanza massiccio, sarà una stella di neutroni.

Ora c'è un'altra modalità di creazione di buchi neri: la stella di neutroni cattura abbastanza materia, o due stelle di neutroni si scontrano e la loro massa combinata crea abbastanza forza di gravità da causare un altro collasso - in un buco nero.

Quali effetti sono associati a questo? Esiste un rilascio esplosivo di qualche tipo di radiazione o particelle? È osservabile? Quali processi fisici avvengono nei neutroni quando sono soggetti all'aumento critico della pressione? Qual è la massa del nuovo buco nero rispetto alla sua stella di origine neutronica?


Ci sono state alcune misurazioni delle masse BH proprio nel mezzo del gap di massa. Vedi, ad esempio Zdziarski et al. 2013 ( adsabs.harvard.edu/abs/2013MNRAS.429L.104Z ) e Neustroev et al. 2014 ( adsabs.harvard.edu/abs/2014MNRAS.445.2424N ).

Interessante. Ma le incertezze sulle masse permettono ancora loro di essere 4 masse solari o più in entrambi i casi. È chiaramente un argomento con molto più lavoro da fare e questi due articoli forniscono entrambi un'interessante discussione sulla falsariga di ciò che presento nella mia risposta.
Rob Jeffries,

Risposte:


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Una stella di neutroni deve avere una massa minima di almeno 1,4x masse solari (cioè 1,4x di massa del nostro Sole) per diventare in primo luogo una stella di neutroni. Vedi il limite di Chandrasekhar su Wikipedia per i dettagli.

Una stella di neutroni si forma durante una supernova , un'esplosione di una stella che è almeno 8 masse solari.

La massa massima di una stella di neutroni è di 3 masse solari. Se diventa più massiccio di così, allora crollerà in una stella di quark e poi in un buco nero.

Sappiamo che 1 elettrone + 1 protone = 1 neutrone;

1 neutrone = 3 quark = up quark + down quark + down quark;

1 protone = 3 quark = up quark + up quark + down quark;

Una supernova produce una stella di neutroni (tra 1,4 e 3 masse solari), una stella di quark (circa 3 masse solari) o un buco nero (maggiore di 3 masse solari), che è il nucleo collassato rimanente della stella.

Durante una supernova, la maggior parte della massa stellare viene espulsa nello spazio, formando elementi più pesanti del ferro che non possono essere generati attraverso la nucleosintesi stellare, perché oltre al ferro, la stella richiede più energia per fondere gli atomi di quanto non ritorni.

Durante il crollo della supernova, gli atomi nel nucleo si dividono in elettroni, protoni e neutroni.

Nel caso in cui la supernova si traduca in un nucleo di stella di neutroni, gli elettroni e i protoni nel nucleo vengono uniti per diventare neutroni, quindi la stella di neutroni di 20 km di diametro appena nata contenente tra 1,4 e 3 masse solari è come un nucleo atomico gigante contenente solo neutroni.

Se la massa della stella di neutroni viene quindi aumentata, i neutroni diventano degeneri, rompendosi nei loro quark costituenti, quindi la stella diventa una stella di quark; un ulteriore aumento della massa provoca un buco nero.

Il limite di massa superiore / inferiore per una stella di quark non è noto (o almeno non riuscivo a trovarlo), in ogni caso, è una banda stretta attorno a 3 masse solari, che è la massa minima stabile di un buco nero.

Quando parli di un buco nero con una massa stabile (almeno 3 masse solari), è bene considerare che sono disponibili in 4 gusti: a carica rotante , a carica continua , a carica non rotante, a non rotazione .

Ciò che vedremmo visivamente durante la trasformazione sarebbe un duro lampo di radiazione. Questo perché durante il crollo, le particelle sulla / vicino alla superficie hanno il tempo di emettere radiazioni forti mentre si rompono prima di entrare nell'orizzonte degli eventi; quindi questa potrebbe essere una delle cause dei lampi di raggi gamma (GRB).

Sappiamo che gli atomi si scompongono in protoni, neutroni, elettroni sotto pressione.

Sotto più pressione, i protoni e gli elettroni si combinano in neutroni.

Sotto una pressione ancora maggiore, i neutroni si scompongono in quark.

Sotto una pressione ancora maggiore, forse i quark si scompongono in particelle ancora più piccole.

Alla fine la particella più piccola è una stringa : anello aperto o chiuso, e ha una lunghezza di Planck, che è di molti ordini di grandezza più piccola di un quark. se una stringa viene ingrandita in modo che sia lunga 1 millimetro, un protone avrebbe un diametro che si adatterebbe perfettamente tra il Sole e Epsilon Eridani, a 10,5 anni luce di distanza; ecco quanto è grande un protone rispetto a una stringa, quindi puoi immaginare che ci siano forse alcune cose intermedie tra quark e stringhe.

Attualmente sembra che saranno necessari alcuni decenni in più per capire tutta la matematica nella teoria delle stringhe, e se c'è qualcosa di più piccolo delle stringhe sarà necessaria una nuova teoria, ma finora la teoria delle stringhe sembra buona; vedere il libro Elegant Universe di Brian Greene.

Una stringa è pura energia ed Einstein ha affermato che la massa è solo una forma di energia, quindi il collasso in un buco nero rompe davvero la struttura di energia che dà l'apparenza di particelle massa / materia / barionica e lascia la massa nella sua forma più semplice forma, stringhe aperte o chiuse, cioè energia pura legata dalla gravità.

Sappiamo che i buchi neri (che non sono realmente buchi o singolarità, in quanto hanno massa, raggio, rotazione, carica e quindi densità, che varia con il raggio) possono evaporare , rinunciando alla loro intera massa sotto forma di radiazione, dimostrando così sono in realtà energia. L'evaporazione di un buco nero si verifica se la sua massa è inferiore alla massa minima di un buco nero stabile, che è 3 masse solari; l' equazione del raggio di Schwarzschild ti dice persino quale sia il raggio di un buco nero e la sua massa, e viceversa.

Quindi potresti trasformare tutto quello che vuoi, come la tua matita, in un buco nero se lo desideri, e puoi comprimerlo nella dimensione richiesta affinché diventi un buco nero; è solo che si trasformerebbe immediatamente (evaporerà) completamente in un lampo di radiazione dura, perché una matita è inferiore alla massa stabile del buco nero (3 masse solari).

Questo è il motivo per cui l'esperimento del CERN non avrebbe mai potuto creare un buco nero per ingoiare la Terra - un buco nero subatomico, anche uno con la massa di tutta la Terra, o il Sole, sarebbe evaporato prima di ingoiare qualcosa; non c'è abbastanza massa nel nostro sistema solare per creare un buco nero stabile (3 masse solari).

Un modo semplice per una stella di neutroni di diventare più massiccio per poter trasformarsi in un buco nero è far parte di un sistema binario, dove è abbastanza vicino a un'altra stella che la stella di neutroni e la sua coppia binaria orbitano a vicenda e la stella di neutroni sifona il gas dall'altra stella , guadagnando così massa.

Binario variabile cataclismico

Ecco un bel disegno che mostra esattamente questo.

La materia che cade in un buco nero viene accelerata verso la velocità della luce. Man mano che viene accelerato, la materia si scompone in particelle subatomiche e radiazioni dure, cioè raggi X e raggi gamma. Un buco nero in sé non è visibile, ma è visibile la luce proveniente dalla materia in caduta che viene accelerata e suddivisa in particelle. I buchi neri possono anche causare un effetto lente gravitazionale sulla luce delle stelle / galassie di sfondo.


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Elencherò solo le inesattezze di questa risposta: (i) le stelle di neutroni devono essere più massicce di 1.4Msun. Non è vero e molti sono noti per non esserlo. La massa di Chandrasekhar dipende dalla composizione - i nuclei di supernovae non sono fatti di carbonio (per i quali è appropriato 1,4 Msun). (ii) La massa massima di una stella di neutroni è almeno 2Msun (la più alta misurata). Non sappiamo quanto più in alto, ma la relatività generale pone un limite superiore di circa 3Msun. (iii) Nessuno sa se esistono stelle di quark. (iv) Le stelle di neutroni non sono fatte solo di neutroni. (v) I neutroni in una stella di neutroni sono già degenerati.
Rob Jeffries,

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(vi) I buchi neri sembrano osservativamente avere una massa minima di circa 4-5 minuti (Ozel ad al. 2012). (vii) La massa minima stabile per un buco nero non è sicuramente 3Msun. (viii) I GRB non sono causati dalla materia che cade nei buchi neri (o forniscono un riferimento per qualsiasi lavoro che lo dice). (ix) L'evaporazione del buco nero può essere rilevante per i micro buchi neri, ma è assolutamente irrilevante per i buchi neri di dimensioni stellari. (x) Il paragrafo sulla matita che svanisce in un lampo non ha senso.
Rob Jeffries,

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Potrei solo menzionare due cose: prima di tutto sì, forse la sua risposta aveva alcune cifre che includevano eccezioni, ma non vedo perché ciò richieda un elenco approfondito. In secondo luogo, devo dire che stai supportando la teoria delle stringhe come se fosse incontrovertibile, cosa che temo non sia affatto vera. È, di massima, una teoria legittima, tuttavia è necessario menzionarlo.
trevorKirkby,

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@userLTK La più grande massa di stelle di neutroni misurata è di 2 masse solari. Il divario che commenti è affrontato nella mia risposta e ci sono almeno due classi di spiegazioni per questo. Le stelle di neutroni hanno un'instabilità GR che le fa collassare molto prima che si avvicinino ai raggi di Schwarzschild.
Rob Jeffries,

1
Non so perché speculi sui possibili componenti dei quark. I quark (e i leptoni) sono fondamentali nel modello standard, non ci sono prove che siano particelle composite. E anche nella teoria delle stringhe, un quark non è fatto di stringhe, è una stringa in una particolare modalità vibrazionale.
PM 2Ring

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Solo per concentrarti su una parte della tua domanda. Mentre potrebbe essere possibile che una stella di neutroni accluda materiale o che due stelle di neutroni si scontrino, al fine di formare buchi neri, questo tipo di evento deve essere piuttosto raro (anche se vedi sotto)

2M5M

Distribuzioni di massa di stelle neutre e buco nero di Ozel et al.  (2012).

2.83M

1044J. Possono produrre un buco nero o forse una stella di neutroni più massiccia. Ci sarà anche una firma delle onde gravitazionali (un "cinguettio") che potrebbe essere rilevata dalla prossima generazione di esperimenti sulle onde gravitazionali (ora una realtà). Questi buchi neri possono essere isolati e quindi non rappresentati nella distribuzione di massa sopra. Un'ulteriore firma osservativa di questi eventi può essere nella forma degli attuali livelli di un numero di elementi di processo a R pesanti, come l'iridio e l'oro, che possono essere prodotti principalmente in questi eventi.

1.5M2M3M>101832M

MM

La tendenza all'osservazione è che i compagni dei buchi neri di massa più bassa nei sistemi binari potrebbero sempre traboccare i loro lobi di Roche. La risultante firma di accrescimento inonda lo spettro del compagno e impedisce una stima di massa dinamica (ad esempio Friggitrice 1999 ). Il Chandra Galactic Bulge Survey sta cercando di trovare esempi di luminosità a raggi X quiescente, relativamente bassa, eclissando binari compatti, con i quali misurare una distribuzione di massa del buco nero più imparziale.

2.41.1+2.1 M

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