¿Cómo se colapsa la estrella de neutrones en el agujero negro?

Conocemos las espectaculares explosiones de supernovas que, cuando son lo suficientemente pesadas, forman agujeros negros. La emisión explosiva de radiación electromagnética y cantidades masivas de materia es claramente observable y estudiada bastante a fondo. Si la estrella era lo suficientemente masiva, el remanente será un agujero negro. Si no fuera lo suficientemente masivo, será una estrella de neutrones.

Ahora hay otro modo de creación de agujeros negros: la estrella de neutrones captura suficiente materia, o dos estrellas de neutrones chocan, y su masa combinada crea suficiente fuerza de gravedad para causar otro colapso, en un agujero negro.

¿Qué efectos están asociados con esto? ¿Existe una liberación explosiva de algún tipo de radiación o partículas? ¿Es observable? ¿Qué procesos físicos ocurren en los neutrones cuando están sujetos al aumento crítico de la presión? ¿Cuál es la masa del nuevo agujero negro, en comparación con su estrella de origen de neutrones?

black-hole neutron-star astrophysics SF.
fuente

Ha habido algunas mediciones de masas de BH justo en el medio de la brecha de masa. Ver, por ejemplo, Zdziarski et al. 2013 ( adsabs.harvard.edu/abs/2013MNRAS.429L.104Z ) y Neustroev et al. 2014 ( adsabs.harvard.edu/abs/2014MNRAS.445.2424N ).

Interesante. Pero las incertidumbres sobre las masas aún les permiten ser 4 masas solares o más en ambos casos. Es claramente un tema con mucho más trabajo por hacer y estos dos documentos proporcionan una discusión interesante en la línea de lo que presento en mi respuesta.

Rob Jeffries

Respuestas:

Una estrella de neutrones debe tener una masa mínima de al menos 1.4x masas solares (es decir, 1.4x masa de nuestro Sol) para convertirse en una estrella de neutrones en primer lugar. Vea el límite de Chandrasekhar en wikipedia para más detalles.

A neutron star is formed during a supernova, an explosion of a star that is at least 8 solar masses.

The maximum mass of a neutron star is 3 solar masses. If it gets more massive than that, then it will collapse into a quark star, and then into a black hole.

We know that 1 electron + 1 proton = 1 neutron;

1 neutron = 3 quarks = up quark + down quark + down quark;

1 proton = 3 quarks = up quark + up quark + down quark;

A supernova results in either a neutron star (between 1.4 and 3 solar masses), a quark star(about 3 solar masses), or a black hole(greater than 3 solar masses), which is the remaining collapsed core of the star.

Durante una supernova, la mayor parte de la masa estelar se expulsa al espacio, formando elementos más pesados que el hierro que no se pueden generar a través de la nucleosíntesis estelar, porque más allá del hierro, la estrella requiere más energía para fusionar los átomos de lo que recupera.

Durante el colapso de la supernova, los átomos en el núcleo se rompen en electrones, protones y neutrones.

En el caso de que la supernova produzca un núcleo de estrella de neutrones, los electrones y protones en el núcleo se fusionan para convertirse en neutrones, por lo que la recién nacida estrella de neutrones de 20 km de diámetro que contiene entre 1,4 y 3 masas solares es como un núcleo atómico gigante que contiene solo neutrones.

Si luego se aumenta la masa de la estrella de neutrones, los neutrones se degeneran, se rompen en sus quarks constituyentes, por lo que la estrella se convierte en una estrella de quark; Un aumento adicional en la masa da como resultado un agujero negro.

El límite de masa superior / inferior para una estrella de quark no se conoce (o al menos no pude encontrarlo), en cualquier caso, es una banda estrecha alrededor de 3 masas solares, que es la masa mínima estable de un agujero negro.

Cuando se habla de un agujero negro con una masa estable (al menos 3 masas solares), es bueno considerar que vienen en 4 sabores: con carga giratoria, sin carga rotativa, sin carga rotativa, sin carga rotativa .

Lo que veríamos visualmente durante la transformación sería un fuerte destello de radiación. Esto se debe a que durante el colapso, las partículas en / cerca de la superficie tienen tiempo para emitir radiación intensa a medida que se rompen antes de entrar en el horizonte de eventos; Por lo tanto, esta podría ser una de las causas de los estallidos de rayos gamma (GRB).

Sabemos que los átomos se dividen en protones, neutrones, electrones bajo presión.

Bajo más presión, los protones y los electrones se combinan en neutrones.

Bajo aún más presión, los neutrones se descomponen en quarks.

Bajo aún más presión, quizás los quarks se descomponen en partículas aún más pequeñas.

En última instancia, la partícula más pequeña es una cuerda. : bucle abierto o cerrado, y tiene una longitud de Planck, que es muchos órdenes de magnitud más pequeña que un quark. si una cuerda se amplía de modo que tenga 1 milímetro de longitud, entonces un protón tendría un diámetro que se ajustaría perfectamente entre el Sol y Epsilon Eridani, a 10.5 años luz de distancia; así de grande es un protón en comparación con una cadena, por lo que puedes imaginar que quizás haya bastantes cosas intermedias entre quarks y cadenas.

Actualmente parece que se necesitarán varias décadas más para descubrir todas las matemáticas en la teoría de cuerdas, y si hay algo más pequeño que las cuerdas, se requerirá una nueva teoría, pero hasta ahora la teoría de cuerdas se ve bien; vea el libro Elegant Universe de Brian Greene.

Una cuerda es pura energía y Einstein dijo que la masa es solo una forma de energía, por lo que el colapso en un agujero negro realmente rompe la estructura de energía que da la apariencia de masa / materia / partículas bariónicas, y deja la masa en su forma más simple. forma, cadenas abiertas o cerradas, es decir, energía pura unida por la gravedad.

Sabemos que los agujeros negros (que no son realmente agujeros o singularidades, ya que tienen masa, radio, rotación, carga y, por lo tanto, densidad, que varía con el radio) pueden evaporarse , dejando toda su masa en forma de radiación, lo que demuestra En realidad son energía. La evaporación de un agujero negro ocurre si su masa está por debajo de la masa mínima de un agujero negro estable, que es de 3 masas solares; la ecuación del radio de Schwarzschild incluso te dice cuál es el radio de un agujero negro dado su masa, y viceversa.

Por lo tanto, podría transformar cualquier cosa que desee, como su lápiz, en un agujero negro si lo desea, y podría comprimirlo al tamaño requerido para que se convierta en un agujero negro; es solo que se transformaría inmediatamente (se evaporaría) completamente en un destello de radiación dura, porque un lápiz es menor que la masa estable del agujero negro (3 masas solares).

Es por eso que el experimento CERN nunca podría haber creado un agujero negro para tragar la Tierra: un agujero negro subatómico, incluso uno con la masa de toda la Tierra, o el Sol, se evaporaría antes de tragar cualquier cosa; no hay suficiente masa en nuestro sistema solar para hacer un agujero negro estable (3 masas solares).

Una forma simple de que una estrella de neutrones se vuelva más masiva para poder convertirse en un agujero negro es ser parte de un sistema binario, donde está lo suficientemente cerca de otra estrella como para que la estrella de neutrones y su par binario orbiten entre sí. , y la estrella de neutrones extrae el gas de la otra estrella , ganando masa.

Cataclysmic variable binary

Aquí hay un bonito dibujo que muestra exactamente eso.

La materia que cae en un agujero negro se acelera hacia la velocidad de la luz. A medida que se acelera, la materia se descompone en partículas subatómicas y radiación dura, es decir, rayos X y rayos gamma. Un agujero negro en sí no es visible, pero la luz de la materia que se acelera y se descompone en partículas es visible. Los agujeros negros también pueden causar un efecto de lente gravitacional en la luz de las estrellas / galaxias de fondo.

jmarina
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Solo enumeraré las inexactitudes de esta respuesta: (i) Las estrellas de neutrones deben ser más masivas que 1.4Msun. No es cierto y se sabe que varios no lo son. La masa de Chandrasekhar depende de la composición: los núcleos de las supernovas no están hechos de carbono (para lo cual es apropiado 1.4 Msun). (ii) La masa máxima de una estrella de neutrones es de al menos 2Msun (la más alta medida). No sabemos cuánto más alto, pero la relatividad general coloca un límite superior de aproximadamente 3Msun. (iii) Nadie sabe si existen estrellas quark. (iv) Las estrellas de neutrones no solo están formadas por neutrones. (v) Los neutrones en una estrella de neutrones ya están degenerados.

Rob Jeffries

(vi) Los agujeros negros parecen tener una masa mínima de aproximadamente 4-5 ms de observación (Ozel y otros, 2012). (vii) La masa mínima estable para un agujero negro no es definitivamente 3Msun. (viii) los GRB no son causadas por materia que cae en los agujeros negros (o proporcionan una referencia para cualquier trabajo que lo indique). (ix) Negro evaporación agujero puede ser relevante para micro blackholes es totalmente irrelevante para los agujeros negros estelares tamaño. (x) El párrafo sobre el lápiz de fuga en un flash no tiene sentido.

Rob Jeffries

Podría mencionar dos cosas: en primer lugar, sí, tal vez su respuesta tenía algunas cifras que incluían excepciones, pero no veo por qué esto requiere un listado en profundidad. En segundo lugar, debo mencionar que estás apoyando la teoría de cuerdas como si fuera incontrovertible, lo que me temo que no es cierto en lo más mínimo. Es, en términos generales, una teoría legítima, sin embargo, realmente debe mencionar eso.

trevorKirkby

@userLTK La masa de estrella de neutrones medida más grande es de 2 masas solares. La brecha sobre la que comenta se trata en mi respuesta y hay al menos dos clases de explicación para ello. Las estrellas de neutrones tienen una inestabilidad GR que las hace colapsar mucho antes de acercarse a sus radios Schwarzschild.

Rob Jeffries

No sé por qué especula sobre los posibles componentes de los quarks. Los Quarks (y los leptones) son fundamentales en el Modelo Estándar, no hay evidencia de que sean partículas compuestas. E incluso en la teoría de cuerdas, un quark no está hecho de cuerdas, es una cuerda en un modo vibratorio particular.

PM 2Ring

Just to focus on one part of your question. Whilst it might be possible for a neutron star to accrete material, or for two neutrons stars to collide, in order to form black holes, this kind of event must be quite rare (although see below)

The distribution of measured neutrons star and black holes masses can be fitted with an estimated true distribution. Here it is, from Ozel et al. (2012). You can see there is a distinct gap between the highest mass neutron stars (currently the record holder has a mass of about $2M_{\odot}$ and the smallest black holes (about $5M_{\odot}$ ). This confirmed slightly earlier work by Farr et al. (2011).

Neutron star and black hole mass distributions from Ozel et al. (2012).

The merging of neutron stars must happen though. The obvious example is the Hulse-Taylor binary neutron star system, where the two object are spiralling together, presumably by the emission of gravitational waves, and will merge in about 300 million years. The combined mass of the 2 neutron stars is $2.83M_{\odot}$ , but the mass of any black hole they create would be lower, with the difference radiated away as neutrinos and gravitational waves.

Merging neutron stars (or merging neutron star + black hole binaries) are thought to be the progenitors of short duration gamma ray bursts or so-called Kilonova eventsthat are generally seen in high redshift galaxies. These typically last a second or less, but involve an energy release of about $\sim 10^{44}$ J. They may produce a black hole, or perhaps a more massive neutron star. There will also be a gravitational wave signature (a "chirp") that could be detected by the next generation of gravitational wave experiments (now a reality). These black holes may be isolated and hence not represented in the mass distribution above. A further observational signature of these events may be in the form of the current levels of a number of heavy r-process elements, like Iridium and Gold, that may mostly be produced in these events.

As for accretion onto an existing neutron star - well it looks quite rare because there may be a large gap between the highest masses at which neutron stars are produced in supernovae (maybe $1.5M_{\odot}$ ) and the maximum mass of a neutron star. We know that the latter is at least $2M_{\odot}$ , but it could be higher, perhaps $3M_{\odot}$ , the maximum allowed by General Relativity. As to the outcome of this hypothetical event, well sticking to non-speculative physics, the most likely thing to happen would be the production of massive hyperons in the neutron star core at sufficiently high densities ( $>10^{18}$ kg/m $^3$ ), which would lead to an instability (due to the removal of degenerate neutrons that are providing the majority of support); the neutron star may then slip inside its event horizon (about 6km for a $2M_{\odot}$ neutron star) and become a black hole. Some sort of explosion seems unlikely, though a gravitational wave signature might be possible.

EDIT: An update on the NS/BH mass distribution above. I saw a talk recently at a conference - the explanation of the distribution has two broad thrusts; either the black holes are not produced in this mass range because of the physics of the progenitors, or there is a strong observational bias against seeing them. An example of the former explanation can be found in Kochanek (2014), who proposes that there is a class of "failed supernovae" between 16 and 25 $M_{\odot}$ that do manage to eject their envelopes in weak transient events, but leave behind their helium cores to form the lowest mass 5-8 $M_{\odot}$ black holes. Lower mass progenitors are then responsible for the neutron stars.

The observational bias is that the companions to the lowest mass black holes in binary systems may be always overflowing their Roche lobes. The resultant accretion signature swamps the companion spectrum and prevents a dynamical mass estimate (e.g. Fryer 1999). The Chandra Galactic Bulge Survey is attempting to find examples of quiescent, relatively low X-ray luminosity, eclipsing compact binaries, with which to measure a more unbiased black hole mass distribution.

Further Edit: There continue to be challenges and claims that there are "low-mass" black holes that could be formed via accretion-induced collapse of a neutron star (pointed out by Alexandra Veledina). For instance Cygnus-X3 has a claimed mass of $2.4^{+2.1}_{-1.1}\ M_{\odot}$ according to Zdziarski et al. 2013, but these observations lack the precision to be really sure yet.

Rob Jeffries
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