Insgesamt bleibt ein Stern mehr oder weniger neutral. Dies gilt für alle stellaren Objekte neben Schwarzen Löchern. Ich verwende eine einfache Berechnung, die in einer Fußnote von https://arxiv.org/abs/1001.3294 auf S. 11 Kap. 2.

Angenommen, der Stern hat eine Gesamtladung von Z mal der Elementarladung,$Ze$, und wir betrachten die Coulomb-Abstoßung eines Testteilchens, sagen wir eines Protons, mit Masse$m$und aufladen$e$.Die Coulomb-Kraft, die versucht, das Testteilchen auszutreiben, muss kleiner sein als die Gravitationskraft, die versucht, das Testteilchen innerhalb des Sterns zu halten. Damit ergibt sich die Bedingung$\frac{(Ze)e}{R^2}\le \frac{GMm}{R^2}$wobei M die Masse des Sterns R sein Radius ist. Davon gehen wir im Moment aus$M=Am$, was bedeutet, dass wir alle Effekte der Bindungsenergie vernachlässigen, die die Masse verringern und die Sache für unser Testteilchen sogar noch schlimmer machen würden. Deshalb finden wir$\frac{(Ze)e}{R^2}\le \frac{GAm^2}{R^2}$was dazu führt$Z<G\frac{m^2}{e^2}A$. Wenn Sie einige Zahlen einsetzen, finden Sie das$Z<10^{-37}A$dh die durchschnittliche Ladung pro Nukleon muss extrem klein sein, um die Stabilität des Sterns zu gewährleisten. Dieses Argument stützt sich nur auf den großen Unterschied in der Stärke der beiden gegensätzlichen Kräfte.($A$ist die Anzahl der Nukleonen)

Hintergrund

Sterne bestehen aus Plasmen , die ein ionisiertes Gas sind, das ein kollektives Verhalten ähnlich einer Flüssigkeit zeigt.

Es gibt zwei wichtige Aspekte von Plasmen zu beachten. Erstens wirken sie wie sehr gut leitende Metalle, da sich die Elektronen sehr frei bewegen können, um jegliches Ladungsungleichgewicht auszugleichen. Die Folge davon ist, dass sie über Entfernungen, die größer als die Debye-Länge sind, als quasineutral bezeichnet werden . Mit quasi neutral meine ich:

$$n_{e} = \sum_{s} \ Z_{s} \ n_{s} \tag{1}$$ wo $n_{e}$ist die Gesamtelektronenzahldichte, $n_{s}$ist die Anzahldichte von Ionenspezies $s$, und $Z_{s}$ist der Ladungszustand von Ionenspezies $s$(z. B. +1 für Protonen). Im Allgemeinen wird die Debye-Länge als so mikroskopisch angesehen, wie man sich in den meisten Situationen überhaupt Gedanken machen würde.

Die zweite Sache ist, dass Plasmen, wenn sie nicht angesteuert werden, dazu neigen, eine Nullstrombedingung zu erfüllen, die gegeben ist durch:

$$\sum_{s} \ Z_{s} \ n_{s} \ \mathbf{v}_{s} = 0 \tag{2}$$ wo $s$in diesem Fall umfasst Elektronen und $\mathbf{v}_{s}$ist die Massenströmungsgeschwindigkeit von Arten $s$(dh das erste Geschwindigkeitsmoment). Dies bezieht sich speziell auf den Plasmafluss aus der Sonne (dh den Sonnenwind ), der aus der Kontinuitätsgleichung für elektrische Ladung abgeleitet wird. Natürlich gibt es große lokalisierte Strömungen durch die ganze Sonne, von ihrem Inneren bis zu ihrer oberen Atmosphäre.

Wie elektrisch neutral bleiben Sterne während ihrer gesamten Lebensdauer?

Sehr. Wenn sie "aufgeladen" würden, würden sie enorme Coulomb-Potentiale erzeugen, die verhindern würden, dass Teilchen mit bestimmten Ladungszeichen die Oberfläche verlassen. Das heißt, ähnlich wie bei einem Dirigenten werden elektrische Felder arbeiten, um sich selbst loszuwerden. Aus diesem Grund sind Plasmen über Entfernungen, die größer als die Debye-Länge sind, quasi neutral.

Die zweite durch Gleichung 2 gegebene Bedingung führt zu relativen Drifts zwischen verschiedenen Partikelarten, um einen Nettostromfluss von Null aus der Sonne aufrechtzuerhalten (außer während aktiver Perioden wie bei koronalen Massenauswürfen oder Sonneneruptionen ). Trotzdem erhöhen diese relativen Drifts nicht die Nettoladung der Sonne.

Als Beispiel könnte ich mir Prozesse wie koronale Massenauswürfe vorstellen, die die Sonne in einem leicht aufgeladenen Zustand zurücklassen.

Nein, im Allgemeinen verändern sie den makroskopischen Ladungszustand der Sonne nicht. Sie bestehen aus Plasmen, die, wie gesagt, quasi neutral sind.

Gibt es solche Prozesse, die einen Stern mit Gesamtladung hinterlassen?

Keines davon ist mir bekannt. Wie ich bereits sagte, wenn Sie plötzlich einen Stern "aufladen", würden die resultierenden elektrischen Felder an dem System arbeiten, bis diese elektrischen Felder nicht mehr existieren.

Aktualisieren

Obwohl ich behaupte, dass Gleichung 1 im Allgemeinen gilt, scheint es aus verschiedenen Gründen, dass die Sonne eine kleine Nettoladung trägt, wie in dieser Antwort erwähnt:
https://physics.stackexchange.com/a/73773/59023 .

Aktualisierung 2

Nach weiteren Diskussionen mit Kollegen und nachdem ich schließlich Zugang zu dem fraglichen Papier [dh Neslusan , 2001 ] erhalten habe, habe ich einige Anmerkungen.

Das elektrische Feld, auf das sich dieser Artikel bezieht, das jetzt als elektrisches Feld von Pannekoek und Rosseland (PR) bezeichnet wird, gilt nur für eine Sternkorona im hydrostatischen Gleichgewicht . Dieses Feld stimmt nicht mit Beobachtungen überein, da es nur eine Art Brise erzeugt , keinen Überschallwind, wie er seit den 1960er Jahren beobachtet wird. Auch dieses Feld würde nicht stabil bleiben. Das heißt, es würde schließlich Protonen vom Stern weg beschleunigen und jede Nettoladung beseitigen.

Der korrektere Ansatz, der jetzt allgemein akzeptiert wird, wird als exosphärisches Modell bezeichnet [z. B. Zouganelis et al. , 2005 ]. Dieses Modell kann im Gegensatz zum PR-Modell die mehreren Komponenten der Elektronengeschwindigkeitsverteilungen des Sonnenwinds (dh Kern, Halo und Strahl) umfassen. Es enthält immer noch die Masse des Sterns durch einen Gravitationsterm, aber was noch wichtiger ist, es stimmt tatsächlich mit den Beobachtungen überein.

Verweise

• Neslusan, L. „Über die globale elektrostatische Ladung von Sternen“, Astron. & Astrophie. 372 , S. 913-915, doi:10.1051/0004-6361:20010533, 2001.
• Zouganelis, I. et al. , "Beschleunigung schwach kollidierender Sonnenwinde", Astrophys. J. 626 , S. L117–L120, doi:10.1086/431904, 2005.