Wird ein Neutronenstern in Zukunft immer zu einem Schwarzen Loch kollabieren?

Terminologiehinweis: die Chandrasekhar-Grenze $M_C \approx 1.4 M_\text{sun}$ist für elektronenentartete Materie. Der analoge Grenzwert für neutronenentartete Materie,$M_\text{TOV} \sim 2.5 M_\text{sun}$, ist nach Tolman, Oppenheimer und Volkoff benannt . Wir haben viel weniger Vertrauen in unsere Schätzung für die TOV-Grenze als in die Chandrasekhar-Grenze, weil wir weniger über die Zustandsgleichung für neutronenentartete Materie wissen als für elektronenentartete Materie.

Wir kennen mehrere stabile Neutronensterne mit Massen$M_C < M_\text{object}$; Es gibt eine unvollständige Liste im oben verlinkten Wikipedia-Artikel. Aber ich vermute, Sie haben nach der Stabilität von Neutronensternen mit höheren Massen gefragt$M_\text{TOV}$.

In der Literatur wird über die mögliche Existenz von Quarksternen spekuliert , bei denen sich die Freiheitsgrade der Nukleonen auflösen und der Stern durch Entartungsdruck unter den freien Quarks getragen wird. Es ist prinzipiell möglich, dass ein Neutronenstern darüber hinaus Masse angesammelt hat$M_\text{TOV}$zu einem Quarkstern kollabieren könnte, analog zum Kollaps eines Weißen Zwergs (oder eines elektronenentarteten Sternkerns) zu einem Neutronenstern. Aber über die Zustandsgleichung der Quarkmaterie wissen wir noch weniger als über die Neutronenmaterie. Ich glaube nicht, dass es mit Sicherheit bekannt ist, dass die Massengrenze für einen Quarkstern größer ist als die Massengrenze für einen Neutronenstern. Es ist auch nicht bekannt, ob Quarksterne wie normale baryonische Materie aus Up- und Down-Quarks bestehen oder ob der Phasenübergang einen erheblichen Anteil an Strange-Quarks erzeugen würde.

Die Wikipedia-Seite listet eine Reihe von (unbestätigten) Quarksternkandidaten auf und beschreibt, warum die Bestätigung so schwierig ist. Es kann gut sein, dass es keine Quarksterne gibt und dass ein übermassiver Neutronenstern definitiv dazu verdammt ist, ein Schwarzes Loch zu werden.

Das Neutronenstern-Verschmelzungsereignis GW170817 brachte ein Objekt mit Endmasse hervor$2.74^{+0.04}_{-0.01}M_\text{sun}$. Dieses Gravitationswellenereignis deutete darauf hin, dass das neue Objekt innerhalb weniger Sekunden (im Gegensatz zu Millisekunden oder Stunden) zu einem Schwarzen Loch kollabierte. Wenn Sie an den genauen Details der Bildung von Schwarzen Löchern aus „supermassereichen Neutronensternen“ interessiert sind, wäre dies ein Weg in die Literatur.

Die Chandrasekhar-Masse ist eine (nominelle) Obergrenze für die Masse eines Weißen Zwergs, unterstützt durch den idealen Elektronenentartungsdruck. Für die meisten plausiblen Zusammensetzungen weißer Zwerge beträgt sie etwa 1,4 Sonnenmassen.

In Wirklichkeit werden Weiße Zwerge, die etwas unter dieser Grenze liegen, entweder kollabieren oder explodieren . Was passiert, hängt sehr empfindlich von der detaillierten Zusammensetzung des Weißen Zwergs ab, wie er die zusätzliche Masse ansammelt und der unsicheren Physik von pyknonuklearen Reaktionen in dichten Materialien.

Wenn der Weiße Zwerg kollabiert, wird er wahrscheinlich einen stabilen Neutronenstern bilden. Die maximale Masse eines Neutronensterns liegt irgendwo zwischen 2 und 3 Sonnenmassen und ist damit viel größer als die Chandrasekhar-Masse.

Wenn der Neutronenstern keine weitere Masse ansammelt, gibt es keinen Grund, warum er nicht ein stabiles Objekt bleiben könnte.

NB: Ich spreche von stabil auf Zeitskalen von vielen Milliarden Jahren und ignoriere Möglichkeiten wie den Protonenzerfall , der auf viel längeren Zeitskalen auftreten könnte .

Ein isolierter Neutronenstern mit einer Masse unterhalb der maximalen Masse eines Neutronensterns$^\star$stabil ist und nicht in ein schwarzes Loch kollabieren wird. Da es durch den Entartungsdruck zusammengehalten wird, verbrennt es keinen Kraftstoff, sodass ihm der Druck nicht "ausgeht".

Ein Neutronenstern, der Materie ansammelt oder mit einem anderen Neutronenstern verschmilzt, kann ein Schwarzes Loch bilden, wenn er so viel Masse ansammelt, dass er nicht mehr stabil ist.

$^\star$Ursprünglich habe ich "Chandrasekhar-Grenze" geschrieben, aber wie @ProfRob darauf hingewiesen hat, gilt dies zwar für weiße Zwerge, aber für Neutronensterne ist die maximale Masse nicht einfach zu berechnen und hängt von der Zustandsgleichung des Neutronensterns ab. Es gibt jedoch eine gewisse maximale Masse, die unterstützt werden kann.

Bei dieser Frage sind wir uns nicht ganz sicher, ob es ein Schwarzes Loch werden wird. Im schlimmsten Fall hat der Neutronenstern großes Pech und trifft nie wieder auf ein anderes Atom. Dann zerfällt sie langsam, ähnlich der Hawking-Strahlung und dem Quantentunneln. Darüber hinaus kann Licht auch Neutronensternen entkommen, und da Licht ein kleines Stück Energie ist, bleiben nicht nur Neutronensterne an Ort und Stelle, sondern verschwinden auch allmählich.

Hinweis: Neutronensterne kühlen nach sehr langer Zeit ab und werden dunkel. Der Quantenzerfall und die „Hawking-Strahlung“ bleiben jedoch bestehen.