Neutronensterne und Schwarze Löcher

Beobachtete Neutronensterne reichen von$1.0 \pm 0.1 M_{\odot}$zu$2.7 \pm 0.2 M_{\odot}$gemäß Tabelle 1 von The Nuclear Equation of State and Neutron Star Masses , die Dutzende von Beispielen auflistet. Denken Sie daran, dass die Masse des Neutronensterns typischerweise wesentlich kleiner ist als die Masse seines Vorläufersterns; spät im stellaren Lebenszyklus wird viel Masse weggeblasen, zum Beispiel kann ein Stern, der eine AGB-Phase durchläuft, > 50 % seiner Masse verlieren . So unser$1M_\odot$Die Sonne wird wahrscheinlich als stellarer Überrest mit enden$M < 1M_\odot$, wahrscheinlich ein Weißer Zwerg.

Laut Structure of Quark Stars ist die Masse der einzige Parameter, der für Neutronensterne (aber nicht für hypothetische Quarksterne) zu berücksichtigen ist, obwohl ich denke, dass die Rotationsrate ein Faktor wäre.

Diese Referenz besagt auch, dass Neutronensterne so klein sein können wie$0.1 M_{\odot}$, aber das bedeutet nicht, dass die Sonne tatsächlich zu einem Neutronenstern wird.

Laut Mögliche Mehrdeutigkeiten in der Zustandsgleichung für Neutronensterne ist es die Theorie (Zustandsgleichung) der Neutronensterne, die die derzeitige Unsicherheit über die Grenzen von Neutronensternen verursacht.

Außerdem ist nicht bekannt, ob Neutronensterne zu Quarksternen werden können, bevor sie zu Schwarzen Löchern werden. Für ein solches hypothetisches Ereignis gibt es einen Begriff „ Quark Nova “.

Ja, es gibt absolute Grenzen (mit einigen theoretischen Unsicherheiten) für die Masse eines Vorläufersterns, der zu einem Neutronenstern oder Schwarzen Loch werden kann, und die Sonne befindet sich weit unter dieser Grenze.

Die anderen Antworten hier sprechen über den Massenbereich von Neutronensternen, beantworten jedoch nicht direkt die von Ihnen gestellte Frage: Die Antwort ergibt sich aus Überlegungen darüber, was im Kern eines Sterns im Laufe seiner Entwicklung passiert.

In einem Stern mit ähnlicher Masse wie die Sonne erzeugt die Wasserstoffverbrennung im Kern Heliumasche. Nach etwa 10 Milliarden Jahren ist der Kern erloschen und durch das Verbrennen von Wasserstoff in einer Hülle entsteht ein Roter Riese. Der Roter-Riesen-Zweig endet mit dem Einsetzen der Heliumverbrennung im Kern, wodurch über den Triple-Alpha-Prozess eine Kernasche aus Kohlenstoff und Sauerstoff zurückbleibt . Nachdem der Kern wieder gelöscht ist, gibt es einen komplizierten Kreislauf von Wasserstoff und Helium, der in Schalen um den Kern herum brennt. Während dieser Phase schwillt der Stern enorm an und wird zu einem asymptotischen roten Riesenzweigstern (AGB). AGB-Sterne sind gegenüber thermischen Pulsationen instabil und verlieren einen großen Teil ihrer Hülle durch einen massiven Wind. Die Sonne wird voraussichtlich etwa verlieren$0.4-0.5M_{\odot}$zu dieser Zeit.

Jetzt kommen wir zum Kern der Antwort. Was zurückbleibt, ist ein Kern aus Kohlenstoff und Sauerstoff, mit vielleicht einer dünnen Schicht aus Wasserstoff/Helium darüber. Ohne nukleare Reaktionen zieht sich dieser Kern so weit wie möglich zusammen und kühlt ab. In einem Stern mit "normalem" Gasdruck würde dieser Prozess fortgesetzt, bis das Zentrum heiß genug ist, um die Kohlenstoff- und Sauerstoffverbrennung zu entzünden (eine höhere Temperatur ist erforderlich, um die größere Coulomb-Abstoßung zwischen protonenreicheren Kernen zu überwinden). Allerdings sind die Kerne von Vorläufersternen mit Massen$<8M_{\odot}$sind so dicht, dass der Elektronenentartungsdruck überhand nimmt. Die Elektronen im Gas werden so stark komprimiert, dass das Pauli-Ausschlussprinzip dazu führt, dass alle niederenergetischen Zustände vollständig gefüllt werden und viele Elektronen mit sehr hohen Energien und Impulsen übrig bleiben. Es ist dieser Schwung, der den Druck liefert, der den Stern stützt. Entscheidend ist, dass dieser Druck unabhängig von der Temperatur ist . Dadurch kann der Kern weiter abkühlen, ohne sich weiter zusammenzuziehen . Infolgedessen wird es im Zentrum nicht heißer und die Fusion beginnt nie wieder. Das endgültige Schicksal von Sternen wie der Sonne und allem mit einer Hauptreihenmasse von$<8M_{\odot}$soll ein sich abkühlender Weißer Zwerg sein. Die Figur von$8M_{\odot}$ist ungefähr ungewiss$\pm 1M_{\odot}$, da die Details des Massenverlusts während der AGB-Phase theoretisch nicht vollständig gelöst sind und es schwierig ist, die Vorläufermassen von Weißen Zwergen empirisch abzuschätzen.

Sterne, die massereicher sind, haben Kerne, die sich ausreichend zusammenziehen, um weitere Fusionsstadien einzuleiten, was zur Produktion eines Eisen/Nickel-Kerns führt. Die Fusion kann aus diesen Kernen, die sich am Höhepunkt der Bindungsenergie pro Nukleonenkurve befinden, keine Energie mehr erzeugen, und daher wird der Stern letztendlich kollabieren und eine Kernmasse haben, die größer ist, als durch den Elektronenentartungsdruck unterstützt werden kann. Es ist dieser kollabierende Kern, der einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch bildet.

Ein interessanter Vorbehalt zu meiner Antwort ist, dass es einen evolutionären Weg für einen Stern wie die Sonne geben könnte, ein Neutronenstern zu werden, wenn er in einem Doppelsternsystem wäre. Die Akkretion eines Begleiters könnte die Masse des Weißen Zwergsterns erhöhen und ihn über die Chandrasekhar-Masse hinausschieben – die maximale Masse, die durch Elektronenentartungsdruck unterstützt werden kann. Obwohl dies im Prinzip einen Neutronenstern bilden könnte, wird als wahrscheinlicheres Szenario angesehen, dass der gesamte Stern als Typ-Ia-Supernova explodiert und nichts zurücklässt.

Hier stellen sich zwei Fragen, nämlich nach den Grenzen der Masse von Neutronensternen und nach der Möglichkeit, dass unsere Sonne einer wird. Ich werde versuchen zu argumentieren, dass es sich um unterschiedliche Fragen handelt, nämlich. das erste über die Stabilität und das zweite über die Entstehung solcher Objekte.

1) Die Referenz von DavePhD in den Kommentaren ( hier , der Vollständigkeit halber) beantwortet sie vollständig. Es gibt viel Raum für die Masse von Neutronensternen, weil sie intrinsisch von der Zustandsgleichung nuklearer (und möglicherweise subnuklearer) Materie abhängt. Da wir die korrekte Zustandsgleichung nicht kennen, ist es schwierig, strenge Grenzen zu setzen. Ohne Zustandsgleichung könnte man eine beliebig große Masse haben, indem man einfach den Radius vergrößert. Qualitativ das Beste, was man tun kann, hängt also vom Zusammenspiel zwischen Masse und Radius oder Dichte ab, wenn Sie so wollen.

Die strengste Grenze ergibt sich aus dem Schwarzschild-Radius, das heißt, wenn Sie einen zu dichten Stern machen, würde er einen Ereignishorizont erzeugen und in ein Schwarzes Loch kollabieren. Daneben bemerkt man, dass die Schallgeschwindigkeit mit der Dichte eskaliert. Wenn Sie also versuchen, einen zu dichten Stern zu machen, hat er eine Schallgeschwindigkeit, die größer ist als die Lichtgeschwindigkeit, was die Kausalität verletzt. Dadurch ist eine Einschränkung in den verschiedenen Zustandsgleichungen möglich. Aus dieser Überlegung ergibt sich die Obergrenze von etwa 3,5 Sonnenmassen. All dies finden Sie ausführlicher in dem oben genannten Artikel. Die Zusammenfassung befindet sich in Abbildung 3, Seite 51. Mir ist ein analoges Argument für untere Schranken für Massen, die nur einige physikalische Prinzipien verwenden, völlig unbekannt (trotz meiner ersten, falschen,

2)Etwas unabhängig von der vorherigen Diskussion können wir ziemlich sicher sein, dass die Sonne niemals ein Neutronenstern wird, egal welche Zustandsgleichung richtig ist. Dies liegt daran, dass der Gravitationskollaps eines Sterns ein hochgradig nichtlinearer Prozess ist, der neben den verschiedenen Kernfusionszyklen Schockwellen erzeugt. Daher wird er nicht adiabatisch ablaufen, im Gegenteil, dieser Prozess wird den größten Teil der Masse eines Sterns verlieren. Um einen Neutronenstern zu produzieren, müssen wir daher mit einem sehr schweren beginnen, typischerweise in der Größenordnung von mehreren zehn Sonnenmassen. Das ist der Grund, warum wir die Entstehung von Neutronensternen Supernova-Ereignissen zuschreiben.

Die Existenz von Schwarzen Löchern wurde durch die Lösung von Einsteins allgemeinen Relativitätsgleichungen vorhergesagt. Mathematisch zeigen die Gleichungen, dass es möglich ist, eine Singularität im Zentrum eines Schwarzen Lochs zu haben. Die Bedeutung dieser Singularität ist, dass die Masse eines Schwarzen Lochs auf einen unendlich kleinen Punkt in seinem Zentrum beschränkt ist, daher ist die Dichte an diesem Punkt unendlich. Das Hauptproblem bei dieser Schlussfolgerung ist, dass bei der Singularität die Gesetze der Physik nicht funktionieren. Dies macht das Schwarze Loch zu einem Mysterium und führt zu verblüffenden Theorien, wie zum Beispiel, dass Schwarze Löcher Portale zu anderen Universen sind oder dass es möglich ist, in der Zeit zu reisen.

Ich behaupte, dass diese Lösung zwar mathematisch möglich ist, aber keine physikalische Bedeutung hat. (Anmerkung: Das gleiche Argument wurde auch von … Einstein geäußert). Ich postuliere, dass es eine Grenze für die maximale Dichte von Körpern im Universum geben muss. Die derzeit vorherrschende Theorie lautet wie folgt: Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn ein Stern seinen Treibstoff verbraucht und dann gravitativ kollabiert. Das Ende dieses Prozesses ist abhängig von der Masse des Sterns. Wenn die Masse des Sterns 1,39 Sonnenmassen beträgt (als Chandrasekar-Grenze bezeichnet), ist die Schwerkraft stark genug, um Protonen und Elektronen zu Neutronen zu kombinieren und so einen Neutronenstern zu erzeugen. Die Neutronen und Restprotonen sind in ihrer maximalen Dichte im Neutronenstern gepackt. Liegt die Masse des Sterns zwischen 1. 5 bis 3 Sonnenmassen wird die Schwerkraft stark genug, um die Nukleonen in ihre Bestandteile (Quarks und Gluonen) zu zerlegen, und dann wird der Stern zu einem Schwarzen Loch, das in seinem Zentrum einen Singularitätspunkt mit unendlicher Dichte hat. Teilweise stimme ich der gängigen Theorie zu. Insbesondere: 1) Der Ursprung eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs ist der Gravitationskollaps eines Sterns. 2) Die Endmasse des Neutronensterns oder des Schwarzen Lochs bezieht sich auf die Anfangsmasse des Sterns. Neutronensterne wurden im Universum beobachtet. Der Neutronenstern enthält Nukleonen (Neutronen und Protonen), die mit der im Universum maximal möglichen Dichte gepackt sind. Die Dichte eines Neutronensterns beträgt 3,7x10^17 bis 5,9x10^17 kg/m^3, was vergleichbar ist mit der ungefähren Dichte eines Atomkerns von 3x10^17 kg/m^3.https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_star

Was das Schwarze Loch betrifft: Ich behaupte, dass der Mechanismus, der einen Neutronenstern erzeugt, auch auf ein Schwarzes Loch anwendbar ist. Ich meine, dass die Entstehung eines Schwarzen Lochs nicht durch weiteres Komprimieren seiner Masse und damit Zerbrechen von Nukleonen in ihre Grundbestandteile erfolgt, wie von der aktuellen Theorie postuliert, sondern durch Hinzufügen von Nukleonen zum Kern, um die maximale Dichte zu erreichen. Meine Behauptung hat zwei Gründe. Das erste ist das theoretische, das Ausschlussprinzip von Pauli. Das Ausschlussprinzip verbietet es, dass zwei identische Fermion-Teilchen gleichzeitig denselben Platz einnehmen. Wenn die Größe des Schwarzen Lochs unendlich klein wird, müssen sich die Nukleonen entgegen dem Pauli-Ausschlussprinzip überlappen.

Der zweite Grund ist experimentell. Ich bemerke zwei bekannte Experimente. Das erste Experiment misst die Kraft zwischen Nukleonen als Funktion des Abstands zwischen ihnen. In Tests, die in Teilchenbeschleunigern durchgeführt wurden, wurde festgestellt, dass die Kraft zwischen zwei Nukleonen wie in https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_force beschrieben ist . In diesem Diagramm ist die Kraft (in Newton) gegen die Reichweite aufgetragen – die Entfernung zwischen zwei Nukleonen (fm). Das Diagramm zeigt, dass für einen Bereich kleiner als 0,8 fm die Kraft zu einer großen Abstoßungskraft wird. Die Schlussfolgerung ist, dass zwei Nukleonen nicht in denselben Raum gequetscht werden können.
Das zweite Experiment wurde kürzlich von Kernphysikern im Jefferson Lab durchgeführt. Sie maßen die Druckverteilung im Inneren des Protons. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bausteine ​​des Protons, die Quarks, einem Druck von 100 Dezillionen Pascal (10^35) in der Nähe des Zentrums eines Protons ausgesetzt sind, was etwa 10 Mal größer ist als der Druck im Herzen eines Neutronensterns. Das bedeutet, dass der nach außen gerichtete Druck vom Zentrum des Protons größer ist als der nach innen gerichtete Druck nahe der Peripherie des Protons und daher ein Neutronenstern nicht kollabieren kann. https://www.jlab.org/node/7928

Die Frage ist nun, warum Schwarze Löcher nicht direkt beobachtet werden, während Neutronensterne beobachtet werden. Meine Antwort ist: Die Sichtbarkeit hängt von der Beziehung zwischen dem physikalischen Radius des Kerns und dem Schwarzschild-Radius ab. Wenn ein Himmelskörper einen Kernradius hat, der größer ist als sein Schwarzschildradius, wird er beobachtet. Wenn andererseits ein Himmelskörper einen Kernradius hat, der kleiner ist als sein Schwarzschild-Radius, wird er ausgeblendet. Dies wird in den folgenden Berechnungen veranschaulicht:

Die Massengrenze zwischen einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch.

Die Masse eines Neutronensterns ist begrenzt. Wenn an dieser Grenze dem Neutronenstern mehr Masse hinzugefügt wird, wird er zu einem Schwarzen Loch. Die Grenzmasse findet man, indem man den Schwarzschild-Radius mit dem Radius des Kerns des Neutronensterns gleichsetzt.

Dieses Ergebnis stimmt gut mit Beobachtungen überein. Das kleinste im Universum beobachtete schwarze Loch ist XTE_J1650-500. Seine Masse wird auf etwa 5-10 Sonnenmassen geschätzt.
https://en.wikipedia.org/wiki/XTE_J1650-500

Um zusammenzufassen:

1) Ein Schwarzes Loch ist im Grunde ein Neutronenstern. Wie ein Neutronenstern (und auch der Kern eines Atoms) wird es auf die im Universum maximal mögliche Dichte komprimiert. 2) Ein Schwarzes Loch muss eine Masse haben, die größer als ~5,25 Sonnenmassen ist. Bei dieser Masse ist der physikalische Radius des Schwarzen Lochs kleiner als sein Schwarzschild-Radius. 3) Es ist möglich, dass die Temperatur des Schwarzen Lochs höher ist als die Temperatur eines Neutronensterns. Diese Temperatur kann jedoch von einem Beobachter außerhalb des Schwarzschild-Radius nicht gemessen werden. 4) Es kann gezeigt werden, dass die Schwerkraft des Neutronensterns und die Schwerkraft des Schwarzen Lochs der Milchstraße 2x10^12 m/sec^2 bzw. 2,6x10^14 m/sec^2 betragen. 5) Die physikalischen Bedingungen von 3) und 4) zeigen, dass ein Schwarzes Loch kein Portal zu anderen Universen sein kann.