Kann es Elektronen- und/oder Protonensterne geben?

Wenn ein dichter, kugelförmiger Stern aus gleichmäßig geladener Materie bestünde, gäbe es eine anziehende Gravitationskraft und eine abstoßende elektrische Kraft. Diese würden gegen eine sehr geringe Nettogebühr ausgleichen:

Was tatsächlich passiert, ist, dass die Protonen und Elektronen einem Elektroneneinfang unterliegen , um Neutronen und Neutrinos vom Elektronentyp zu erzeugen.

Die anderen Antworten decken Ihre zweite Frage gut genug ab, aber bei der ersten fehlen noch einige Details - was passiert mit den Protonen und Elektronen in einem Stern, wenn er zu einem Neutronenstern kollabiert. Die grundlegende Antwort ist einfach: Sie werden zu diesen Neutronen.

Der Grund dafür ist, dass, wie sich herausstellt, ein {Elektron, Proton}-Paar irgendwie mit einem Neutron austauschbar ist, oder zumindest bei genügend Energie austauschbar ist. Die "natürlichere" Version der Reaktion geht tatsächlich in die andere Richtung: Ein Neutron zerfällt tatsächlich in ein Proton und emittiert dabei ein Elektron, um das Ladungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten.

Dies ist das grundlegendste Beispiel für Beta-Zerfall und hat eine Halbwertszeit von etwa 15 Minuten , was für eine Reaktion mit schwacher Kraft ziemlich schnell ist.

Das$\bar{\nu}_e$Ding ist ein Antineutrino, das emittiert werden muss, um die Leptonenzahl konstant zu halten. Es hat keine Masse, aber es trägt Energie, also kann sich das Neutron in ein Proton verwandeln und dadurch etwas Masse verlieren, die genug Energie wird, um das Elektron und das Antineutrino zu materialisieren und sie auf keV-Energien zu beschleunigen.

Nun, eines der coolen Dinge an der Teilchenphysik ist, dass alles im Wesentlichen zeitumkehrbar ist, was bedeutet, dass Sie jede Reaktion rückwärts laufen lassen können. In diesem Fall können Sie so etwas tun

In jedem gegebenen Stern treten mit einiger Wahrscheinlichkeit beide Reaktionen auf. Sie werden eine gewisse Menge freier Neutronen haben, die in der Nähe bleiben, und diese werden in Proton-Elektron-Paare zerfallen, aber Sie werden auch viele Protonen und Elektronen in einer energetischen Umgebung haben, wenn also zwei von ihnen mit genügend Energie zusammenstoßen, werden sie es tun verschmelzen kurzzeitig zu einem Neutron.

Das Schlüsselwort ist jedoch "genug" Energie, und in einem normalen Stern reicht die thermische Energie - sagen wir ~1 keV für die 16 MK im Kern der Sonne - nicht aus, um einen signifikanten Anteil der Proton-Elektron-Kollisionen zu liefern 780 keV benötigen sie, um ein Neutron zu erzeugen. Nichtsdestotrotz wird es in jeder thermischen Umgebung einige Teile des Systems geben, die zu Energien schwanken$E$größer als die thermische Energie$k_B T$, mit Wahrscheinlichkeit$e^{-E/k_B T}$. In diesem Fall gibt dies eine grobe Schätzung dafür$e^{-1.35/780}\approx 0.1\%$von Proton-Elektron-Kollisionen erzeugen ein Neutron, das zwar klein, aber nicht ganz vernachlässigbar ist.

Soviel zu normalen Sternen im Gleichgewicht. Um einen Neutronenstern zu machen, braucht man etwas anderes, um diese Gleichung zu brechen, und das stellt sich als enormer Druck heraus: Das Elektron wird im Wesentlichen durch das umgebende Plasma in das Proton gedrückt. Sobald die Kernfusion keinen Brennstoff mehr hat, kann die Temperatur nicht mehr mit dem Druck mithalten, und bei ziemlich konstanten Temperaturen* steigt der Druck auf ein enormes Niveau an.

Der Grund, warum der Druck das Spiel verändert, liegt darin, dass die Elektroneneinfangreaktion das vom System eingenommene Volumen erheblich reduziert, was bedeutet, dass die Umgebung Arbeit am System verrichtet, indem sie es hineindrückt, genau wie ein Kolben Arbeit an einem Gas verrichtet das ist in einer Kiste. Es ist diese zusätzliche Arbeit, die über ein winziges Volumen durch einen absolut enormen Druck geleistet wird, die die beträchtliche Energie von >780 keV liefert, die erforderlich ist, um die Elektroneneinfangreaktion günstig zu machen.

^{* Oder so ähnlich. Experten, korrigiert mich bitte, wenn ich falsch liege.}

Die innere Gravitationskraft ist so stark wie der äußere Druck, dass das Elektron in den Kern gezwungen wird und mit dem Proton verschmilzt, so dass es zu einem neutralen Teilchen ähnlich einem Neutron wird. In gewisser Weise können wir sagen, dass die Kerne nur Neutronen enthalten und daher Neutronensterne genannt werden.

Ergänzung zu den vorliegenden Antworten. Sie vernachlässigen bislang die starke Wechselwirkung, die die bekannten Atomkerne zusammenhält und der gegenseitigen elektrischen Abstoßung der Protonen „gegen“ arbeitet. Aber selbst$^2$Er ist nicht stabil. Da die Gravitationskraft deutlich schwächer ist als die elektromagnetische, sind Protonensterne (soweit ich weiß) nicht möglich.

Die Antwort auf die Hauptfrage lautet nein . Die Abstoßungskraft aufgrund "gleicher Ladungen" ist um Größenordnungen größer als die anziehende Gravitationskraft, sodass es unmöglich wäre, einen Stern zu bilden. Bei „entgegengesetzten Ladungen“ ist es nun umgekehrt, die entgegengesetzten Ladungen ziehen sich an und es entstehen Heliumatome. Wenn genug von ihnen erzeugt werden, steigt die anziehende Gravitationskraft, bis sie größer ist als die Kraft, die die Protonen und die Elektronen trennt, und sie „verschmelzen“, wodurch Neutronen entstehen. Dies wird fortgesetzt, bis alle Elektronen (oder Protonen) verschwunden sind, wodurch ein Neutronenstern entstehen würde.