Warum bildet Gas einen Stern statt ein Schwarzes Loch?

Gas tut es im Wesentlichen, es bildet sich einfach zuerst ein Stern.

Masse ist nicht der einzige Faktor bei der Entstehung eines Schwarzen Lochs. Sie benötigen auch für diese Masse, um eine hohe Dichte zu erreichen. Dabei bildet sich meist ein Stern. Die energieerzeugenden Prozesse im Sterninneren erzeugen einen Druck, der die Anziehungskraft der Gravitation ausgleicht. Dies verhindert, dass ein Stern eine kritische Dichte erreicht, die für die Entstehung eines Schwarzen Lochs erforderlich ist. Wenn diesen energieerzeugenden Prozessen der nutzbare Brennstoff ausgeht, wird der Stern schließlich in sich zusammenfallen und ein Schwarzes Loch erzeugen.

Sie können also nicht einfach ein großes Gasvolumen nehmen und ein Schwarzes Loch erzeugen. Andere physikalische Prozesse finden statt.

Vereinfacht gesagt: Weil sich das Gas selbst zerlegt.

Wenn das Gas (H oder He) unter extrem hohen Druck gesetzt wird, was vor der Bildung eines Schwarzen Lochs geschieht, beginnen die Atome mit der Kernfusion, die viel Energie freisetzt. Dieser kontinuierliche Energiestrom macht die Sonne hell und verhindert auch, dass die Sonne in sich zusammenfällt.

Wenn die Fusion zu viel von einem Element verbrannt/geschmolzen hat, wird ein anderes Element zum dominierenden Element für die Fusion, was zu unterschiedlichen Zuständen während des Lebens eines Sterns führt. Und sobald dem Stern der Treibstoff ausgeht, gewinnt die Schwerkraft.

Wie Rob sagt , bräuchte man viel mehr Masse als die eines "massereichen Sterns", um der Kernfusionsenergie entgegenzuwirken.

Im heutigen Universum geschieht dies aus zwei Gründen nicht. Erstens ist das Gas gegenüber Fragmentierung instabil, wenn es kollabiert. Der Grund dafür ist, dass die Jeans-Masse , die kleinste Masse, die wahrscheinlich zusammenbricht, wie skaliert$T^{3/2}/\rho^{1/2}$, wo$T$ist die Temperatur und$\rho$die Dichte. Wenn das Gas beim Kollabieren abkühlen kann, bleibt die Temperatur in etwa konstant, die Jeans-Masse sinkt und die Wolke zerfällt in kleinere Kerne. Diese Kerne sind normalerweise viel kleiner als die (mindestens) mehreren Sonnenmassen, die zur Bildung eines Schwarzen Lochs erforderlich sind (siehe unten).

Zweitens wird jeder dieser Kerne in der Mitte schließlich heißer. Für Massen oben$0.075M_{\odot}$, wird der Kern heiß genug für die Kernfusion. Dies hält die hohe Temperatur und den hohen Druck aufrecht, was die Schwerkraft in Schach hält, bis der Kraftstoff ausgeht. Danach könnte die Quantenmechanik in Form von Elektronenentartung oder Neutronentartungsdruck oder sogar die Abstoßungskraft zwischen Nukleonen den Stern (als Weißer Zwerg oder Neutronenstern) unterstützen, aber nicht, wenn er massereicher ist als$\sim 3M_{\odot}$. Bei Gaskugeln mit geringerer Masse (braune Zwerge oder Planeten) überspringen sie die Kernfusion und gehen direkt zur Unterstützung durch Elektronenentartung über.

Im frühen Universum könnte das, was Sie vermuten , tatsächlich passieren, und so könnten supermassive Schwarze Löcher und Quasare nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall existieren.

Ursprüngliches Gas, das nur aus Wasserstoff- und Heliumatomen besteht, kann nicht sehr effizient kühlen (es ist das Vorhandensein schwererer Atome, die von früheren Sternengenerationen in heutigen Gaswolken erzeugt wurden, was zu einer effizienten Kühlung führt). Urwolken sind also weniger anfällig für Fragmentierung, weil sie sich mit zunehmender Dichte aufheizen und die Jeans-Masse nicht klein werden kann. Unter solchen Umständen könnte es sein, dass ein großes Schwarzes Loch ($10^4$zu$10^5$Sonnenmassen) können direkt aus einer kollabierenden Gaswolke entstehen.

Siehe diese Pressemitteilung für eine alternative Zusammenfassung dieser Idee und Links zu aktuellen wissenschaftlichen Arbeiten zu diesem Thema (z . B. Agarawal et al. 2015 ; Regan et al. 2017 ).

Keine vollständige Antwort, aber mehr als ein Kommentar. Können wir nicht einfach immer mehr Masse anhäufen, um die Probleme der anderen Antworten zu überwinden? Sicherlich waren irgendwann im Universum, z. B. ganz am Anfang, die Bedingungen günstig, um extrem massereiche Sterne zu bilden, so dass der Innendruck jeden Außendruck durch Wärme/Fusion überwinden konnte. Möglicherweise bildet sich dann sofort ein Schwarzes Loch, trotz der Barrieren, die einen totalen Kollaps verhindern. Schließlich gibt es immer Barrieren, die einen totalen Zusammenbruch verhindern, seien es Strahlungsdruck, Entartungsdruck usw. Es geht nur darum, sie mit genügend Masse zu überwinden.

Es stellt sich heraus, dass jemand diese Frage bereits gestellt hat und ihre Antwort (manchmal) nein ist. Johnsonet al. 2013 diskutiert die Idee, dass primordiale supermassive Schwarze Löcher von supermassiven Sternen gebildet werden. Mit supermassiv meine ich$\sim50,000\:M_\odot$(der größte derzeit bekannte Stern der Aufzeichnungen ist$\sim200$-$300\:M_\odot$). Ihre Idee ist, dass sich früh im Universum eine so große Masse an Masse ansammeln könnte, dass man im technischen Sinne des Wortes einen „Stern“ haben könnte, der aber fast sofort (im Vergleich zu kosmologischen Zeitskalen) ein Schwarzes Loch bilden würde. Ihr Endergebnis war, dass sie herausfanden, dass der Versuch, die Strahlungsdruckbarriere zu überwinden, die man bei der normalen Sternentstehung sieht, indem man wahnsinnige Mengen an Masse aufhäuft, nur dazu führt, dass Dinge in "der größten Explosion im Universum" explodieren.

Wenn dieses Weltraumgas zusammengezogen wird, um einen Stern zu bilden, ist die Masse des ursprünglichen Gases und jetzt eines Sterns dieselbe (unverändert), aber die Größe ist aufgrund der Schwerkraft verringert. Wenn der Stern zu einem Schwarzen Loch kollabiert, ist seine Masse wieder gleich, aber die Größe ist aufgrund der Schwerkraft geschrumpft. Es ist keine gültige Art, auf diese Weise zu fragen:

Was also hat das Weltraumgas überhaupt daran gehindert, ein Schwarzes Loch zu bilden?

Das Weltraumgas schrumpft schließlich zu einem Schwarzen Loch [wenn die Anfangsmasse gut genug ist, um als Stern zu existieren, dann kollabiert es als Schwarzes Loch], nur der Beobachter nimmt Abschnitt für Abschnitt des gesamten Prozesses wahr [hängt davon ab welcher Abschnitt beobachtet wird]. Es ist einfach, wenn man das Objekt durch Analogie dazu ersetzt: Erhitzen des Eises. Eis schmilzt zu Wasser und dann zu Gas. Jetzt fragt das OP: Warum wird Eis beim Erhitzen nicht zu Gas, sondern zu Wasser? Es klingt logisch, aber tatsächlich ist das Konstrukt der Wörter mystifiziert eine einfache Analogie.