Warum kollabieren mittlere Sterne zu Supernovae, während große Sterne zu Schwarzen Löchern kollabieren?

Eine Supernova wird durch den plötzlichen (weniger als 1 Sekunde) Kollaps des Kerns eines massereichen (anfänglich mehr als 8 Sonnenmassen insgesamt) Sterns verursacht. Weniger massereiche Sterne unterliegen keinem Kernkollaps und erzeugen keine Kernkollaps-Supernovae.

Die Sache, die bestimmt, ob ein Supernova-Überrest ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch ist, ist größtenteils die Masse des Kerns zu Beginn des Kernkollaps, kann aber auch davon abhängen, wie effektiv der Rest des Sterns durch die Supernova-Explosion und in den Weltraum geblasen wird wie viel Material fällt auf den kollabierten Kern zurück.

Wenn der kollabierte Kern eine Masse von weniger als etwa 2 Sonnenmassen hat (und vielleicht bis zu 3, obwohl es keine Beobachtungsbeweise dafür gibt), dann kann der kollabierte Kern, der hauptsächlich aus Neutronen besteht, gegen sein Gravitationsgewicht gestützt und stabilisiert werden als "Neutronenstern". Die Unterstützung wird durch den Neutronentartungsdruck und die extreme Abstoßung zwischen Neutronen beim Zusammenpressen bereitgestellt, die durch die starke Kernkraft verursacht wird.

Wenn der kollabierte Kern massereicher ist oder mehr Material von dem explodierenden Stern auf den kollabierten Kern zurückfällt, kann selbst diese starke nukleare Abstoßung sein Gewicht nicht tragen. Tatsächlich diktiert die Allgemeine Relativitätstheorie oberhalb von etwa 3 Sonnenmassen, dass keine Kraft das Gewicht des kompakten Überrests tragen kann und er weiter kollabieren wird, um ein Schwarzes Loch zu werden. Kein Licht (oder irgendetwas anderes) kann aus einem Schwarzen Loch herauskommen ; die sogenannte Hawking-Strahlung wird vernachlässigbar sein; Daher wird das einzige Licht, das von solchen Objekten empfangen wird (nachdem eine Supernova verblasst ist), auf Material zurückzuführen sein, das in das Schwarze Loch akkretiert wird, das erhitzt wird, während es sich spiralförmig darauf zubewegt.

Es gibt noch eine dritte Möglichkeit, nämlich den direkten Kollaps zu einem Schwarzen Loch. Es ist möglich, dass bei sehr massereichen Sternen (mindestens 25-30 Sonnenmassen) der kollabierende Kern selbst als Proto-Neutronenstern nie stabilisiert wird, dass keine helle Supernova entsteht und dass ein Großteil der Masse des Sterns direkt hinein kollabiert ein schwarzes Loch. Seit der Entdeckung von Schwarzen Löchern mit 20-30 Sonnenmassen durch das Gravitationswellenexperiment LIGO ist dies ein sehr aktives Forschungsthema.

Zusammenfassend kann ich nichts Besseres tun, als aus einem ausgezeichneten Übersichtsartikel von Fryer (1999) zu zitieren : „Somit können wir für Kernkollapsmodelle drei Regime der kompakten Objektbildung definieren: (1) Kernkollapssterne mit geringer Masse treiben stark an Explosionen mit geringem Rückfall und erzeugen Neutronensterne, (2) Sterne mit mittlerer Masse erzeugen Explosionen, aber der Rückfall reicht aus, um Schwarze Löcher zu bilden, und (3) Sterne mit hoher Masse können keine Schocks auslösen und kollabieren direkt zu Schwarzen Löchern Die Frage für Kernkollaps-Theoretiker ist also, die Grenzen für diese Regime zu bestimmen.", wobei die Trennung zwischen diesen Regimen (1) ist.$\geq 8$bis zu vielleicht 20 Sonnenmassen; (2) 20–40 Sonnenmassen und (3) mehr als etwa 30–40 Sonnenmassen, aber diese Grenzen hängen von Metallizität, Rotation und einem korrekten Verständnis der Supernova- und Neutrinophysik ab.

Kleine Sterne kollabieren nicht zu Supernovae. Unsere Sonne, die ja kein ganz kleiner Stern ist, wird keine Supernova. Es wird schließlich ein roter Riese, schrumpft ein wenig, wird wieder ein roter Riese und schließlich ein weißer Zwerg. In seinem Endleben wird es einige Umwälzungen durchmachen, die im Vergleich zu einer Supernova eher gering sein werden. Dies ist das Schicksal von Sternen zwischen 1/2 Sonnenmasse und etwa 8 Sonnenmassen. Sterne, die kleiner als 1/2 Sonnenmasse sind, sterben extrem langsam und werden nie zu einem Roten Riesen.

Nur sehr große Sterne werden zu Supernovae. Die kleineren hinterlassen als Überbleibsel Neutronensterne, die größeren schwarze Löcher. Es wird angenommen, dass ein winziger Bruchteil der allergrößten Sterne das Supernova-Stadium umgeht und direkt kollabiert, um zu Schwarzen Löchern zu werden. Diese gescheiterten Supernovae entstehen, weil diese Sterne so massereich sind, dass sie kollabieren, bevor sie ihren gesamten Treibstoff verbraucht haben.

Es gibt 2 Hauptarten von Supernova. Die Art, auf die Sie sich beziehen, ist eine Typ-2- Supernova. Es gibt auch Supernovae vom Typ 1a, Typ 1b und Typ 1c. Supernovae vom Typ 1a werden nicht durch die Implosion riesiger Sterne verursacht, sondern durch einen Weißen Zwerg, der immer größere Mengen an Masse von einem Begleitstern ansammelt, bis die Chandrasekhar -Massengrenze erreicht ist. Dann bekommen wir die Supernova vom Typ 1a, die wenig Kernreste hinterlässt und eine Explosion mit mehr oder weniger konstanter Größe und normaler Leuchtkraft ist. Aus diesem Grund werden Supernovae vom Typ 1a als Standardkerzen verwendet, um die Entfernung von Objekten im Universum zu messen.

Wie in David Hammens Antwort darauf hingewiesen wurde, treten Supernova-Endungen vom Typ 2 nur bei Sternen auf, die mehr als das 8-fache der Masse unserer Sonne haben. Neutronensterne und Schwarze Löcher sind Überreste, die nach der Supernova zurückgelassen wurden, nachdem die äußeren Schichten und der Großteil des Sterns weggeblasen wurden. Die Größe des Überrests ist bis zu einem gewissen Grad vor der Supernova vorhersagbar und hängt von der Masse des Sterns ab. Dies ist jedoch nur eine Annäherung und es gibt immer Ausnahmen, da die Physik komplex ist und von zu vielen Variablen abhängt. Supernovae vom Typ 1 hinterlassen kaum oder gar keine Überreste.

Ursache der Typ-2-Supernova:

Was bewirkt also, dass sich ein sterbender Stern dieser Masse oder größer so in die Luft sprengt, dass in der kurzen Zeitspanne der Explosion mehr Energie freigesetzt wird als die einer ganzen Galaxie für denselben Zeitraum? Dies steht im Gegensatz zu der viel sanfteren, allmählichen und langwierigen Schlussfolgerung von Sternen, deren Masse weniger als 8 x Sonne beträgt; Planetarischer Nebel nach dem Zusammenbruch eines Roten Riesen und hinterlässt einen Weißen Zwerg als Überbleibsel.

Massiver Stern vor der Supernova (Typ 2) und Implosion:

Der Kern eines massereichen Sterns wird Eisen und schwerere Elemente ansammeln, die nicht exotherm schmelzbar sind. Eisen ist das Ende der exothermen Fusionskette. Jede Fusion mit schwereren Kernen ist endotherm. Die endotherme Fusion absorbiert Energie aus der umgebenden Schicht, wodurch sie abkühlt und weiter um den Kern herum kondensiert. Dieser zusätzliche nach innen gerichtete Druck kommt zu dem nach innen gerichteten Druck der Schwerkraft hinzu und verursacht einen Gradienten, bei dem der Kern weiter kollabiert und dichter wird, während die exotherme Fusion einen expansiven nach außen gerichteten Druck über dem Gradienten aufrechterhält.

Wenn die Dichte des inneren Kerns einen Punkt erreicht, an dem der Druck den Elektronendegenerationsdruck überwindet . Dann wird ein weiterer Gradient gebildet, in dem innerhalb des Gradienten keine Atome mehr existieren, weil sich die Elektronen der Atome mit ihrem Kern verbinden. Die Protonen im Kern verbinden sich mit den Elektronen zu Neutronen und setzen Neutrinos frei. Innerhalb dieses Gradienten befinden sich keine einzelnen Atome mehr. Der plötzliche Kollaps innerhalb des Druckgradienten der Elektronendegeneration des Kerns löst die anfängliche Supernova-Implosion aus, da der Kern in wenigen Sekunden zu einem winzigen Punktobjekt mit nuklearer Dichte (3 × 10 ¹⁷ kg/m ³ ) kollabiert, das nicht größer als Manhattan ist .

Supernova-Explosion:

Das plötzliche Einströmen sowohl des schweren Elementkerns außerhalb des Elektronendegenerationsgradienten als auch der exotherm schmelzbaren äußeren Schichten des Sterns verursachen innerhalb weniger Sekunden immense Hitze und Druck, was dazu führt, dass viele Elemente, die leichter als Eisen sind, gleichzeitig alle verschmelzen auf einmal.

**Anti-Matter:**

Außerdem würde der extrem dichte und energiereiche Neutrinofluss von dem erwähnten Zusammenbruch des EDP-Kerns nach außen strömen. Wenn die Neutrinos frontal auf die gleich energiereichen, nach innen stürmenden Atomkerne treffen, geschieht Folgendes:

Wenn ein Neutron ein Neutrino absorbiert, wird Antimaterie gebildet, da Neutronen zu Antiprotonen und Positronen werden. Wenn diese Antimaterie auf normale Materie trifft, haben wir die effizienteste und vollständigste Umwandlung von Masse in Energie, die möglich ist: Matter-AntiMatter Annihilation (MAMA).

Die Kombination der simultanen Fusion und der MAMA lässt die Hölle losbrechen in der größten Energiefreisetzung in kürzester Zeit, nach dem Gammastrahlenausbruch, der im Universum bekannt ist.

Überbleibsel nach der Supernova:

Was zurückbleibt, nachdem der größte Teil des Sterns abgesprengt ist, ist eine solide, extrem dichte Neutronenmasse von der Größe Manhattans. Daher der Begriff Neutronenstern.

Nichts ist dichter als ein Neutronenstern. (Siehe Anmerkung unten) Es ist nur reine Masse ohne leeren Raum übrig. Um eine Perspektive zu bekommen, wovon wir hier sprechen, unser normales Atom auf der Erde ist fast vollständig leerer Raum. Wenn wir das einfachste Atom nehmen, das Wasserstoff ist, und der Kern (ein Proton) auf die Größe einer erbsengroßen Murmel in der Mitte eines Fußballstadions vergrößert würde, würde sich das Orbital des einzelnen Elektrons ganz nach außen erstrecken Stadionrand, das Elektron nicht größer als ein Sandkorn; fast alle leeren Raum.

Stellen Sie sich jetzt eine Kugel aus massiver Masse solcher Murmeln vor, die das Stadion ohne Platz füllt. So können wir uns die Dichte eines Neutronensterns vorstellen, und das ist die Dichtegrenze des Universums. Ein Schwarzes Loch hat die gleiche Dichte, nur massiver.

„Ein Neutronenstern ist so dicht, dass ein Teelöffel (5 Milliliter) seines Materials eine Masse von über 5,5 × 10 ¹² kg (das sind 1100 Tonnen pro 1 Nanoliter) haben würde, etwa das 900-fache der Masse der Großen Pyramide von Gizeh.“

Bei konstanter Dichtegrenze kann ein Neutronenstern nur größer werden, ein größeres Volumen einnehmen, wenn er mehr Masse gewinnt. Die Masse und die Oberfläche bestimmen die Fluchtgeschwindigkeit, die Geschwindigkeit, die ein Objekt benötigt, um der Schwerkraft des Wirts von der Oberfläche zu entkommen. Die immense Schwerkraft bewirkt, dass der kleinste Neutronenstern eine Fluchtgeschwindigkeit von 100.000 km/s oder ein Drittel der Lichtgeschwindigkeit hat.

Wenn die Masse des Neutronensterns das Niveau überschreitet, bei dem die Fluchtgeschwindigkeit für den Neutronenstern die Lichtgeschwindigkeit übersteigt, kann selbst Licht seiner Gravitation nicht entkommen und wird somit zu einem Schwarzen Loch .

Hinweis: Es gibt theoretisch einen Punkt, an dem die Schwerkraft und Dichte eines Neutronensterns einen Schwellenwert erreichen, der als Neutronenentartungsdruck bezeichnet wird. Dies wurde von Tolman-Oppenheimer-Volkoff und der gleichnamigen Grenze angenommen. Dies würde zu einer größeren Dichte führen, die baryonische Dichte genannt wird. Wenn wir dann dichter werden, können wir die Quarkdichte erhalten und so weiter. Dies sind alles spekulative Theorien, da die subnuklearen Wechselwirkungen nicht gut verstanden sind und wir nicht in ein Schwarzes Loch schauen können, um die Beweise zu sehen.