Sollten sich einige Sterne nicht wie Schwarze Löcher verhalten?

Die wahre Antwort liegt in der Allgemeinen Relativitätstheorie, aber wir können ein einfaches Newtonsches Argument anführen.

Von außen zieht eine gleichförmige Kugel Testmassen genau so an, als ob ihre gesamte Masse im Zentrum konzentriert wäre (Teil des berühmten Shell-Theorems ).

Die Gravitationsanziehung nimmt auch zu, je näher Sie an der Gravitationsquelle sind, aber wenn Sie in die Kugel gehen, wird ein Teil der Masse der Kugel eine Schale um Sie herum bilden, daher werden Sie keine Gravitationsanziehung von ihr erfahren, wiederum wegen der Shell-Theorem. Dies liegt daran, dass die nahe Seite der Schale Sie anzieht, die andere Seite ebenfalls, und die Kräfte heben sich auf, und die einzigen verbleibenden Gravitationskräfte stammen von der kleineren Kugel vor Ihnen.

Sobald Sie sich dem Zentrum der Kugel nähern, werden Sie fast keine Anziehungskraft mehr spüren, da Sie so ziemlich die gesamte Masse radial vom Zentrum wegzieht.

Dies bedeutet, dass Sie, wenn Sie dem Mittelpunkt der Kugel sehr nahe kommen können, ohne in die Kugel zu gehen, eine viel stärkere Gravitationsanziehung erfahren, da es keine äußere Massehülle gibt, die die Anziehungskraft des Massenschwerpunkts kompensiert. Daher spielt die Dichte eine Rolle: Eine relativ kleine Masse, die in einem sehr kleinen Radius konzentriert ist, ermöglicht es Ihnen, dem Zentrum unglaublich nahe zu kommen und unglaubliche Gravitationskräfte zu erfahren, während Sie dem Zentrum sehr nahe kommen, wenn dieselbe Masse einen größeren Raum einnimmt Sie müssen in die Masse hineinkommen, und ein Teil der Anziehungskraft wird aufgehoben.

Die Schlussfolgerung ist, dass eine kleine Masse ein Schwarzes Loch sein kann, wenn sie in einem ausreichend kleinen Radius konzentriert ist. Der größte derartige Radius wird Schwarzschild-Radius genannt . Tatsächlich wäre unsere eigene Sonne ein Schwarzes Loch, wenn sie einen Radius von weniger als hätte$3$km und die gleiche Masse, und die Erde wäre ein Schwarzes Loch, wenn sie einen Radius von weniger als hätte$9$mm und die gleiche Masse.

Sterne erzeugen viel Energie durch Fusion im Kern. Grundsätzlich gilt, je massereicher ein Stern ist, desto mehr Druck steht auf den Kern (aufgrund der eigenen Schwerkraft des Sterns) und desto mehr Energie kann er erzeugen (etwas vereinfacht).

Diese Energie strahlt natürlich nach außen und erwärmt alles außerhalb des Kerns, was ihn zu einer Art Schnellkochtopf macht, wobei Hitze Druck erzeugt und die äußeren Regionen des Sterns durch seine eigene Schwerkraft an Ort und Stelle gehalten werden. Sterne würden zu dichteren Objekten (wie Weißen Zwergen und Neutronensternen und Schwarzen Löchern) kollabieren, wenn dieser nach außen gerichtete wärmegetriebene Druck nicht vorhanden wäre.

Schwarze Löcher entstehen, wenn der Fusionsprozess nicht mehr genug Energie erzeugen kann, um diesen Druck zu erzeugen, um einen Kollaps zu verhindern, und der Stern massiv genug ist, damit sein Gravitationsfeld sich so weit komprimieren kann, dass er dicht genug wird, um ein Schwarzes Loch zu sein.

Damit ein Stern zu einem Schwarzen Loch wird, muss grob gesagt sein physikalischer Radius kleiner werden als sein Schwarzschild-Radius. Sogar die Erde könnte ein Schwarzes Loch sein, wenn sie auf unter 9 Millimeter schrumpft. Es ist nicht genau zu sagen, dass ein Schwarzes Loch von der Dichte des Objekts abhängt, da eine Schwarzschild-Metrik eine Vakuumlösung der Einsteinschen Feldgleichungen ist.

Oder hängt die Schwerkraft auch von der Dichte des Objekts ab?

Das Problem bei dieser Frage ist, dass es ziemlich zweideutig ist, was Sie mit "Schwerkraft" meinen. Ein Objekt hat keine einzelne Zahl, die seine "Schwerkraft" ist. Wenn sich ein Schiff in der Nähe eines Sterns befindet, hängt die Gravitationskraft, die das Schiff spürt, von der Masse des Sterns, der Masse des Schiffs und der Entfernung zwischen ihnen ab. Wenn wir die Beschleunigung statt der Kraft betrachten, können wir durch die Masse des Schiffes teilen. Anstatt also „Schwerkraft“ zu sagen, werde ich über die Gravitationsbeschleunigung sprechen. Wir können die Masse des Sterns als feststehend annehmen, aber das lässt immer noch die Variable des Abstands zwischen ihnen übrig.

Die Frage ist also, ob dieser Abstand von der Mitte des Objekts oder von der Oberfläche des Objekts gemessen wird. Wenn der Abstand vom Mittelpunkt gemessen wird, hängt die Erdbeschleunigung nicht von der Dichte des Objekts ab. Wenn sich die Sonne zusammenziehen und dichter werden würde, würde die Umlaufbahn der Erde nicht beeinträchtigt.

Je weniger dicht das Objekt jedoch ist (bei fester Masse), desto weiter entfernt sich die Oberfläche vom Zentrum. Wenn Sie also die Dichte eines Objekts verringern, verringert sich seine Oberflächenbeschleunigung. Wenn sich die Erde im Volumen ausdehnen, aber nicht an Masse zunehmen würde, wäre die Gravitationsbeschleunigung an ihrer neuen Oberfläche geringer.

Außerdem bestimmt eher die Fluchtgeschwindigkeit als die Gravitationsbeschleunigung, ob etwas ein Schwarzes Loch ist. Die Fluchtgeschwindigkeit folgt jedoch demselben Muster wie die Gravitationsbeschleunigung: Die Fluchtgeschwindigkeit relativ zum Mittelpunkt eines Objekts hängt nicht von der Dichte ab, die Fluchtgeschwindigkeit an der Oberfläche jedoch schon. Wenn ein Stern kollabiert, erhöht sich seine Oberflächenfluchtgeschwindigkeit, und sobald die Oberflächenfluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit erreicht, ist es ein Schwarzes Loch.

Wenn die sichtbare Materie dicht genug geworden ist, um sich innerhalb ihres Schwarzschild-Radius zu konzentrieren, wird sie zu einem BH. Bis ihr innerer Druck der Gravitation standhält, bleiben sie Sterne.