Будет ли нейтронная звезда всегда коллапсировать в черную дыру в будущем?

Примечание по терминологии: предел Чандрасекара . $M_C \approx 1.4 M_\text{sun}$для электронно-вырожденной материи. Аналогичный предел для нейтронно-вырожденного вещества,$M_\text{TOV} \sim 2.5 M_\text{sun}$, назван в честь Толмана, Оппенгеймера и Волкова . У нас гораздо меньше уверенности в нашей оценке предела TOV, чем в пределе Чандрасекара, потому что мы знаем меньше об уравнении состояния для нейтронно-вырожденной материи, чем для электронно-вырожденной материи.

Нам известны несколько стабильных нейтронных звезд с массами$M_C < M_\text{object}$; в статье Википедии, указанной выше, есть неполный список. Но я подозреваю, что вы спрашивали об устойчивости нейтронных звезд с массами выше$M_\text{TOV}$.

В литературе высказываются предположения о возможном существовании кварковых звезд , в которых растворяются нуклонные степени свободы и звезда поддерживается давлением вырождения среди свободных кварков. В принципе возможно, что нейтронная звезда, накопившая массу за$M_\text{TOV}$может коллапсировать в кварковую звезду, аналогично коллапсу белого карлика (или электронно-вырожденного звездного ядра) в нейтронную звезду. Но об уравнении состояния кварковой материи мы знаем еще меньше, чем о нейтронной материи. Я не думаю, что известно наверняка, что предел массы кварковой звезды больше, чем предел массы нейтронной звезды. Также неизвестно, будут ли кварковые звезды состоять из верхних и нижних кварков, как обычная барионная материя, или фазовый переход приведет к образованию значительной доли странных кварков.

На странице Википедии перечислены несколько (неподтвержденных) кандидатов в кварковые звезды и описано, почему подтверждение так сложно. Вполне может быть, что кварковых звезд не существует, и сверхмассивная нейтронная звезда определенно обречена стать черной дырой.

В результате слияния нейтронных звезд GW170817 образовался объект с конечной массой$2.74^{+0.04}_{-0.01}M_\text{sun}$. Это гравитационно-волновое событие предполагает, что новый объект коллапсирует в черную дыру в течение нескольких секунд (в отличие от миллисекунд или часов). Если вас интересуют мельчайшие подробности образования черных дыр из «сверхмассивных нейтронных звезд», это путь в литературу.

Масса Чандрасекара - это (номинальный) верхний предел массы белого карлика, поддерживаемого идеальным давлением вырождения электронов. Это около 1,4 солнечных масс для наиболее правдоподобного состава белых карликов.

В действительности белые карлики, находящиеся немного ниже этого предела, либо схлопнутся, либо взорвутся . Что произойдет, очень чувствительно зависит от детального состава белого карлика, от того, как он накапливает дополнительную массу, и от неопределенной физики пикноядерных реакций в плотных материалах.

Если белый карлик коллапсирует, он может образовать стабильную нейтронную звезду. Максимальная масса нейтронной звезды составляет где-то между 2 и 3 массами Солнца и намного больше, чем масса Чандрасекара.

Если нейтронная звезда больше не накапливает массу, то нет причин, по которым она не может оставаться стабильным объектом.

NB: Я говорю о стабильности во временных масштабах многих миллиардов лет и игнорирую такие возможности, как распад протона , который может произойти в гораздо более длительных временных масштабах.

Изолированная нейтронная звезда с массой ниже максимальной массы нейтронной звезды.$^\star$стабилен и не рухнет в черную дыру. Поскольку он удерживается вместе за счет давления вырождения, он не сжигает топливо, поэтому давление не «исчерпается».

Нейтронная звезда, которая аккрецирует вещество или сливается с другой нейтронной звездой, может образовать черную дыру, если она накопит достаточно массы, чтобы стать неустойчивой.

$^\star$Первоначально я написал «предел Чандрасекара», но, как указал @ProfRob, хотя это относится к белым карликам, для нейтронных звезд максимальную массу рассчитать непросто, и она зависит от уравнения состояния нейтронной звезды. Однако существует некоторая максимальная масса, которую можно поддерживать.

Что касается этого вопроса, мы не совсем уверены, станет ли она черной дырой. В худшем случае нейтронной звезде очень не повезло, и она никогда больше не встретится с другим атомом. Затем он будет медленно распадаться, подобно излучению Хокинга и квантовому туннелированию. Более того, свет может ускользнуть и от нейтронных звезд, а поскольку свет представляет собой малую часть энергии, то нейтронные звезды не только остаются на месте, но постепенно и они исчезают.

Примечание: нейтронные звезды остывают и становятся темными через очень долгое время. Однако квантовый распад и «излучение Хокинга» останутся.