Может ли нейтронная звезда стать черной дырой в результате охлаждения?

Нет (или, по крайней мере, не сильно). Одним из существенных свойств звезд, которые в значительной степени поддерживаются давлением вырождения, является то, что это давление не зависит от температуры, и это связано с тем, что, хотя нейтронная звезда может быть горячей, она имеет такую ​​маленькую теплоемкость, что содержит очень мало тепловой энергии.$^{*}$.

Когда формируется нейтронная звезда, она очень быстро остывает за счет испускания нейтрино, за секунды. Во время этой фазы нейтронная звезда немного сжимается (десятки процентов), но к тому времени, когда ее внутренняя часть охлаждается до миллиарда кельвинов, внутренние нейтроны вырождаются, и сжатие в основном прекращается. Вполне возможно , что (массивная) нейтронная звезда могла совершить переход в черную дыру до этого момента.

Если этого не происходит, то оттуда нейтронная звезда продолжает остывать (но на самом деле обладает очень малой тепловой энергией, несмотря на свою высокую температуру), но на ее радиус это почти не влияет.

$^{*}$В сильно вырожденном газе индекс заполнения квантовых состояний равен единице до энергии Ферми и нулю после нее. В этом идеализированном случае теплоемкость была бы равна нулю - из фермионов нельзя извлечь кинетическую энергию, поскольку нет свободных состояний с более низкой энергией. На практике и при конечных температурах существуют фермионы$\sim kT$выше энергии Ферми, которая может попасть в несколько свободных состояний при$\sim kT$ниже энергии Ферми. Однако доля фермионов, способных на это, составляет лишь$\sim kT/E_F$, куда$E_F$— кинетическая энергия фермионов при энергии Ферми. При типичных плотностях нейтронных звезд эта доля имеет порядок$T/10^{12}\ {\rm K}$, поэтому он очень мал, когда нейтронные звезды остывают (в течение секунд) ниже$10^{10}$К.

Это означает, что теплоемкость чрезвычайно мала и что, хотя нейтроны в нейтронной звезде содержат огромный резервуар кинетической энергии (таким образом, обеспечивая давление), почти ничего из этого не может быть извлечено в виде тепла.

Ответ @RobJeffries правильный, по крайней мере , в 95-99% случаев (а возможно, и во все времена), а также лучший ответ на этот вопрос. Но просто для любопытства некоторые люди говорят о новообразованных метастабильных нейтронных звездах (обычно в форме «магнетаров» ), которые коллапсируют через короткие промежутки времени из-за сочетания охлаждения и замедления вращения. Большинство моделей предполагает, что замедление вращения является более важным фактором, который приводит к коллапсу: недавно образовавшиеся нейтронные звезды могут вращаться со скоростью, близкой к «скорости распада» — когда вещество на экваторе вращается достаточно быстро, чтобы почти исчезнуть .отсоединяется. Однако считается, что сильные магнитные поля магнетаров эффективно передают угловой момент наружу и замедляют это вращение. Вещество на НЗ теряет эту вращательную опору, и, таким образом, НЗ, находившиеся на грани коллапса, могут переступить порог и превратиться в черную дыру.

Эта высокотеоретическая модель используется для объяснения продолжительного излучения некоторых гамма-всплесков (которые, как думают люди, требуют образования черных дыр). Идея состоит в том, что формируется метастабильный магнетар, который продолжает питать рентгеновское (и некоторые другие) излучение и выбросы, прежде чем позже схлопнуться в черную дыру (обычно через 10-100 секунд).

Лю и др. 2015 - Центральный двигатель Millisecond Magnetar в коротких гамма-всплесках

Роулинсон и др. 2013 - Сигнатуры центральных двигателей магнетара на коротких кривых блеска гамма-всплесков

Ласки и др. 2013 - Ядерное уравнение состояния по наблюдениям остатков коротких гамма-всплесков