Что мешает звезде разрушиться после звездной смерти?

Когда звезда перестает гореть, потому что в ее ядре образуются более тяжелые элементы, такие как железо. Тогда давление газа прекращается, а, как вы знаете, давление газа помогает удерживать звезду в равновесии, потому что создает давление, противодействующее силе тяжести. Итак, железо не отдает энергию. Так что же мешает звезде рухнуть?

Поэтому, когда ядро ​​начинает становиться плотным из-за гравитации, оно перестает становиться плотным из-за принципа исключения Паули. Фермионы (класс частиц, включающий протоны, нейтроны и электроны) того же типа подчиняются принципу запрета Паули. Говоря простым языком, это говорит о том, что такие частицы не могут занимать один и тот же малый объем пространства.

Таким образом, если вы попытаетесь втиснуть их в небольшой объем пространства, они «оттолкнутся». Это «толкание» создает давление, называемое «давление вырождения», и это то, что удерживает белые карлики от коллапса в черные дыры.

Значит ли это, что одни и те же фермионы, как и электроны, не могут занимать одну и ту же подоболочку? Означает ли наличие одинакового квантового состояния, что фермионы не могут находиться на одном и том же субэнергетическом уровне? Определить в терминах непрофессионалов квантовое состояние? Чем он отличается от субшелла?

Также я читал, что звезда не коллапсирует в черную дыру из-за квантово-механических эффектов. Так является ли давление вырождения так называемым квантово-механическим эффектом?

Этот пост может быть вам интересен в связи с вашим первым абзацем.
Вы искали в Google соответствующие статьи ? Например, этот в Википедии ? После прочтения таких статей, что именно вам непонятно?

Ответы (1)

Ваш первый абзац не совсем точен. Давление газа не «останавливается» при образовании железного ядра, просто звезда не может генерировать дополнительное тепло от ядерных реакций и становится неустойчивой к коллапсу. т.е. звезда рушится ! Возможно, вы имеете в виду то, что останавливает коллапс (иногда) до того, как звезда исчезнет внутри своего собственного горизонта событий и станет черной дырой? Ответом является давление вырождения нейтронов, которые образуются (эндотермически) в событиях захвата электронов при коллапсе звезды, а также отталкивающая (сильная ядерная) сила между нейтронами в очень плотных нуклонных газах с небольшой долей протонов.

Аналогия с наполненными «скорлупками» не так уж и плоха. В квантовой механике мы обнаруживаем, что существует конечное число возможных квантовых состояний на единицу импульса в единице объема (часто называемого «фазовым пространством»). В «нормальном» газе заполнение этих квантовых состояний определяется статистикой Максвелла-Больцмана — согласно статистике, заполняется все меньше этих состояний. опыт ( Е / к Т ) .

В ферми-газе при очень высокой плотности или очень низкой температуре мы достигаем ситуации, когда принцип запрета Паули ограничивает заселение этих состояний двумя частицами на состояние энергии/импульса (по одной на каждый спин); частицы, которые в противном случае могли бы занимать состояния с очень низкой энергией, вынуждены занимать состояния с более высокой энергией и импульсом. В «полностью вырожденном» газе, который является хорошим приближением для электронов в белой карликовой звезде или нейтронов в нейтронной звезде (соответствующий случай здесь), все энергетические состояния заполнены до чего-то, что называется энергией Ферми, с нулевая занятость при еще более высоких энергиях.

Давление создается частицами, имеющими импульс (это просто основная кинетическая теория). Большое количество фермионов с ненулевым (в некоторых случаях даже релятивистским) импульсом является причиной того, что вырожденный газ оказывает давление, даже если его температура понижается до близкой к нулю. В самом деле, когда газ фермионов приближается к полному вырождению, изменение температуры почти не влияет на его давление.

Один момент, с которым я не согласен в вашем вопросе, - это утверждение, что «такие частицы не могут занимать такой же небольшой объем пространства». На самом деле ограничение на занятии фазового пространства. В нейтронной звезде нейтроны почти касаются друг друга с расстоянием в 10 15 м. В небольшой объем можно втиснуть много частиц, но только за счет придания им большого импульса . Если хотите, это 3D-версия принципа неопределенности:

( Δ Икс Δ п Икс ) ( Δ у Δ п у ) ( Δ г Δ п г ) "=" Δ В ( Δ п ) 3 3
Это соотношение говорит вам, что частицы могут быть плотно упакованы, но если это так, то они должны иметь очень разные импульсы. Именно этот большой диапазон импульсов приводит к давлению вырождения.

Когда дело доходит до остановки коллапса ядра массивной звезды и поддержки образовавшейся нейтронной звезды, давление вырождения — это еще не все. Как я упоминал выше, расстояние между нейтронами порядка 10 15 м, что является приблизительным диапазоном сильного ядерного взаимодействия. Это не случайность. Одного давления вырождения недостаточно, чтобы остановить коллапс или поддержать нейтронную звезду с массой более 0,7 М - так называемый предел Толмена-Оппенгеймера-Волкова. Поскольку ядерная материя сильно асимметрична (нейтронов намного больше, чем протонов), существует общая сильная ядерная сила отталкивания выше плотности около 3 × 10 17 кг/м 3 это также очень важно для остановки коллапса и поддержки более массивных нейтронных звезд.

Вопрос. Если группа фермионов вырождена, и многие из них имеют релятивистский импульс, а для повышения температуры добавляется небольшое количество энергии, что происходит с импульсом фермионов?
@Murtuza Vadharia Взгляните на этот апплет (он предназначен для электронов в WD, но подойдет и здесь). Он показывает зависимость индекса занятости от энергии для фермионов. Чтобы получить импульсное распределение, вы умножаете его на плотность импульсных состояний. г ( п ) "=" 8 π п 2 / час 3 . Посмотрите, что происходит, когда вы увеличиваете температуру, сохраняя при этом плотность постоянной. Вы получаете частичное вырождение и хвост частиц с энергиями выше энергии Ферми. geogebratube.org/студент/b87651#material/28528