Kernverständnis von Neutronensternen

Nach dem, was hier angegeben ist, sind freie Neutronen (Neutronen außerhalb der Atomkerne) instabil und zerfallen in etwa 15 Minuten in Proton, Elektron und ein Antineutrino (in den meisten Fällen).

Angesichts der Tatsache, dass Neutronensterne existieren, wäre es der Fall, dass die Schwerkraft die Neutronen nahe genug packt, um stabil zu bleiben.

Nach meinem Verständnis sollte die Nettogravitationskraft in Richtung der Mitte des Neutronensterns (des Kerns) abnehmen (die Masse im mittleren und äußeren Kern des Neutronensterns trägt zur Gravitationskraft in Richtung der Oberfläche bei, wie auch immer die fällige Nettokraft erfahren wird zur Schwerkraft im Zentrum selbst wäre null, da die Massen auf dem Rest der Kugel symmetrisch am Kern ziehen würden, was zu einer Netto-Gravitationskraft von null führen würde).

Mit dem obigen Verständnis, dass es im Zentrum fast keine Anziehungskraft gibt, könnten die Neutronen dort dann frei zerfallen. Ist dieses Verständnis richtig oder habe ich etwas Grundlegendes übersehen? (Die verlinkten Artikel erwähnen zwar, dass es in anderen Zuständen Materie geben würde, aber nicht aus dem oben genannten Grund - die Begründung liegt eher in der höheren Dichte - aber mein Punkt ist genau das Gegenteil - dass die Dichte im Kern geringer wäre aufgrund von Nettogravitationskraft ist Null)

Obwohl die Schwerkraft im Zentrum 0 ist, wird der Druck maximal sein, denke ich.
Aber die einzige (oder größere) Kraft, die den Druck im Falle eines Neutronensterns antreiben könnte, wäre die Schwerkraft, die im Zentrum nicht sehr bedeutend wäre.
Denken Sie zum Beispiel an die Erde oder Jupiter. Auch im Zentrum des Planeten ist die Schwerkraft Null, aber der Druck ist enorm, weil es das Gewicht der ganzen Materie darüber ist, und darüber ist die Schwerkraft.
Nun, was für Neutronensterne gilt, sollte auch für Erde und Jupiter gelten. Da die Nettogravitationskraft in der Nähe des Zentrums null ist, wäre die Wirkung von Druck, der aus Flüssigkeiten und Gasen in den anderen Schichten resultiert, erheblich geringer als das, was hätte sein können. Abgesehen davon würde man meistens erwarten, dass ein Neutronenstern in den anderen Schichten als in Richtung des Zentrums aus Feststoff besteht.
Was ich auch zu sagen versuche, ist, dass die Gravitationskraft in der Nähe des Zentrums nach außen wirkt (aufgrund der Schwerkraft von den Zwischenschichten und der Oberfläche) und in der Nähe der Oberfläche nach innen wirkt (aufgrund des Zentrums und der Zwischenschichten). Die Nettogravitationskraft - für alle Himmelskörper, einschließlich Erde, Jupiter und alle anderen, müsste im Zentrum nahe Null sein. Wenn es Druck in Richtung Zentrum gibt, müsste dies auf andere Kräfte wie Gase zurückzuführen sein.
Ich glaube, Sie haben meine Argumentation nicht verstanden. Stellen Sie sich eine Säule mit einem Querschnitt von 1 cm^2 vom Erdmittelpunkt bis zur Oberfläche vor. Teilen Sie die Säule in kleine Würfel von je 1 cm^3; multiplizieren Sie dann die Masse jedes Würfels mit der Schwerkraft an diesem Würfel; Addiere all diese Gewichte von Würfeln, das wird das Gewicht pro cm^2 im Erdmittelpunkt sein. Dass an diesem Punkt die Schwerkraft 0 ist, ist irrelevant, der Druck ist maximal.
Ihr Verständnis des Mechanismus entarteter Gase ist fehlerhaft. Inwieweit funktioniert physical.stackexchange.com/questions/63383/… ? dir helfen?
@dmckee - Danke. Das habe ich verpasst. Ich habe mich kurz mit degenerierten Gasen befasst, aber meine Frage basierte auf einem Verständnis, das dem Shell-Theorem von Rodrigos Angaben zu widersprechen scheint. Da muss ich also ansetzen. Danke noch einmal!
Das muss man mit entarteten Gasen begründen, denn es ist die Energiebilanz solcher Kräfte, die dieses Verhalten steuert. Sie gehen implizit davon aus, dass Sie die Zerfallsprodukte in Zustände niedriger Energie versetzen können, aber solche Zustände sind nicht verfügbar.
@dmckee Ich habe mich nicht auf entartete Gase konzentriert, weil ich verstanden habe, dass die Bedingung für ihre Anwesenheit selbst nicht vorhanden war - was hoher Druck (und möglicherweise andere Faktoren) ist. Aber ich denke, ich muss das Ganze noch einmal durchgehen.
Ein letzter Punkt: Obwohl die Kernkraft zwischen Neutron und Proton stärker ist, ist die Kraft zwischen zwei Neutronen nicht Null. Es wurde nach gebundenen Zuständen zwischen zwei Neutronen gesucht, und obwohl sie nicht gefunden wurden, könnten sie immer noch existieren.

Antworten (2)

Die Schwerkraft ist im Gleichgewicht mit einem Druckgradienten , nicht der Druck. Die Gleichung des hydrostatischen Gleichgewichts ist

D P D R = − ρ G   ,
Wo ρ Und G sind die lokale Dichte bzw. Schwerkraft.

Da haben Sie Recht G = 0 genau im Zentrum eines Neutronensterns. Das bedeutet auch, dass der Druckgradient im Zentrum des Neutronensterns null ist, der Druck und damit die Dichte also maximal sind.

Was den Zerfall der Neutronen stoppt, ist nicht das lokale Gravitationsfeld, sondern ihre extrem hohe Anzahldichte und das Vorhandensein eines kleinen Anteils entarteter Protonen und Elektronen.

Stellen Sie sich ein Gedankenexperiment vor, bei dem Sie ein dichtes Gas aus reinen Neutronen einschließen konnten. Es würde eine anfängliche Zerfallsphase geben, die einige Protonen und Elektronen erzeugt. Aber die Dichten dieser Fermion-Spezies würden sich aufbauen, bis sie auch degeneriert wären. Wenn die Elektron-Fermi-Energie das maximal mögliche aus dem Neutronen-Beta-Zerfallsprozess erreicht, dann wird ein weiterer Neutronenzerfall blockiert. Alle niedrigeren Elektronenenergiezustände sind bereits gefüllt.

Nach dem, was ich von hier aus verstehen kann , wäre das hydrostatische Gleichgewicht eine Folge der Wechselwirkung zwischen Schwerkraft und Druck. So wie Sie es ausdrücken, scheint die Schwerkraft eher eine Folge als ein Teil der Ursache zu sein.
Wenn wir uns also in Richtung Zentrum bewegen, ist es nach meinem Verständnis - aufgrund des abnehmenden Drucks wäre es dann möglich, dass die Neutronen in Protonen und Elektronen zerfallen, einfach weil der Druck nicht mehr ausreicht, um sie nahe beieinander zu halten. Dadurch verhalten sie sich eher wie freie Neutronen.
Es macht für mich Sinn, dass sich der Neutronenstern als Ganzes im hydrostatischen Gleichgewicht befindet, wo - die Schwerkraft dafür sorgt, dass die äußere Hülle dazu neigt, die Struktur zusammenzubrechen (Kraft wirkt in Richtung der Mitte), während der Druck der zersetzten Protonen und Elektronen im Kern dem widersteht (Kraft wirkt vom Zentrum weg). Obwohl Wiki angibt, dass die entarteten Teilchen im Falle eines Neutronensterns selbst Neutronen sind, widerspricht dies dem obigen Verständnis.
@RavindraHV Das hydrostatische Gleichgewicht gleicht die Schwerkraft mit einem (negativen) Druckgradienten aus , nicht mit dem Druck. Der Druck nimmt natürlich zur Mitte hin zu. Der Druck wird von der dominanten Spezies - Neutronen - dominiert.
Danke, dass du zurückgekommen bist! (a) Wenn ich das richtig verstehe, meinen Sie mit Druckgradient, dass es nicht nur Druck ist, sondern ein Druck, der entlang der Achse variiert. Die Kraft aufgrund des Drucks wirkt und in diesem Fall nimmt der Druck zur Mitte hin zu. Wenn ja, dann gut, das verstehe ich. (b) Da bekannt ist, dass sich Neutronen nicht gegenseitig abstoßen, wäre in diesem Fall nicht die elektrostatische Kraft die Quelle für den Druck, sondern eine andere. Ist das richtig?
@RavindraHV (a) D P / D R = − ρ G . Im Zentrum beides G = 0 Und D P / D R = 0 . (b) Neutronen sind von Entartung betroffen (was zu Entartungsdruck führt), aber auch die starke Kernkraft ist abstoßend zwischen Neutronen oberhalb der üblichen Dichte von Kernmaterie.
a) Aus Dictionary of Geophysics, Astrophysics, and Astronomy herausgegeben von Richard A. Matzner für hydrostatisches Gleichgewicht : P and ρ are the local values of pressure and density at radius r. In der Antwort sagen Sie, dass sowohl der Druck als auch die Dichte in der Mitte am höchsten und ganz in der Mitte Null sind. b) Danke.
Tut mir leid, dP/drNull wäre der Gradient. Der Druck wäre also in der Mitte immer noch maximal.
Um das Verständnis zusammenzufassen, obwohl der durch die Schwerkraft verursachte Druck an der Oberfläche am höchsten ist und abnimmt, wenn wir uns zum Zentrum bewegen, summiert sich der Druck immer noch, wenn wir uns zum Zentrum bewegen. Wenn der Druck zunimmt, steigt auch die Dichte bis zu dem Punkt (nahe der Mitte), an dem es aufgrund der vorherrschenden Bedingungen zur Bildung von entartetem Gas kommt. (Das Missverständnis bestand darin, das Schalentheorem nicht zu berücksichtigen und daraus zu schließen, dass aufgrund der umgebenden Masse eine Gravitationskraft vom Zentrum weg wirkt).
@RavindraHV Das wäre nicht meine Zusammenfassung. Der Druck an der Oberfläche ist (per Definition) Null. Sie scheinen nicht zu verstehen, dass das hydrostatische Gleichgewicht zwischen dem Druckgradienten und der Schwerkraft besteht. Der höchste Druckgradient ist nahe der Oberfläche. Die Neutronen (und Protonen und Elektronen) sind in der überwiegenden Mehrheit des Neutronensterns entartet, obwohl die Struktur komplexer ist, als Sie beschreiben.
Rechts. Ich meinte, dass die Wirkung des Drucks aufgrund der Schwerkraft unterhalb der Oberfläche am höchsten ist. Ich verstehe das : In jeder gegebenen Schicht eines Sterns besteht ein hydrostatisches Gleichgewicht zwischen dem nach außen gerichteten thermischen Druck von unten und dem Gewicht des darüber liegenden Materials, das nach innen drückt. Ist es das, was Sie versuchen zu sagen? Auch aus dem, was Sie sagen, sowie aus dem Wiki scheint es, dass es keinen "Kern" gibt.
Sie schreiben hier „entartete Protonen“. Aber sind die Neutronen und Elektronen nicht entartet, die Protonen nicht? Die Protonenladungsdichte sollte der Elektronenladungsdichte entsprechen, also sollte die Protonenanzahldichte weißzwergartig sein.
@rob Neutronenzahldichte ist in Ordnung 10 45 M − 3 , also ist die Protonenzahldichte ∼ 10 43 M − 3 . In einem Weißen Zwerg ist die Elektronenzahldichte nur von Ordnung 10 35 - 10 36 M − 3 , also mehr als eine Million mal weniger. Was für die Entartung zählt, ist zu vergleichen k T mit der Fermi (kinetischen) Energie - was so geht N 2 / 3 / 2 M - das ist also mehr als 10 − 100 mal größer für Protonen. Obwohl also Neutronensterne 10-1000 Mal heißer sein können als Weiße Zwerge, sind die Protonen in einem Neutronenstern immer noch entartet.

Um das Verständnis zusammenzufassen, obwohl der durch die Schwerkraft verursachte Druck an der Oberfläche am größten ist und progressiv abnimmt, wenn wir uns zum Zentrum bewegen, summiert sich der Druck immer noch, wenn wir uns zum Zentrum bewegen (progressiv zunimmt). Wenn der Druck zunimmt, steigt auch die Dichte bis zu dem Punkt (nahe der Mitte), an dem es aufgrund der vorherrschenden Bedingungen zur Bildung von entartetem Gas kommt.

Das Missverständnis bestand darin, das Schalentheorem nicht zu berücksichtigen und daraus zu schließen, dass aufgrund der umgebenden Masse eine Gravitationskraft vom Zentrum weg wirkt, die den Druck ebenfalls negiert.

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