Нейтронные звезды и черные дыры

Наблюдаемые нейтронные звезды находятся в диапазоне от$1.0 \pm 0.1 M_{\odot}$к$2.7 \pm 0.2 M_{\odot}$согласно таблице 1 The Nuclear Equation of State and Neutron Star Masses , в которой перечислены десятки примеров. Имейте в виду, что масса нейтронной звезды обычно значительно меньше массы ее звезды-прародителя; в конце звездного жизненного цикла большая часть массы сдувается, например, звезда, которая проходит через фазу AGB, может потерять> 50% своей массы . Итак, наш$1M_\odot$Солнце, вероятно, в конечном итоге станет звездным остатком с$M < 1M_\odot$, вероятно, белый карлик.

Согласно Структуре кварковых звезд, масса является единственным параметром, который следует учитывать для нейтронных звезд (но не для гипотетических кварковых звезд), хотя я думаю, что скорость вращения будет фактором.

В этой ссылке также говорится, что нейтронные звезды могут быть такими маленькими, как$0.1 M_{\odot}$, но это не означает, что Солнце на самом деле станет нейтронной звездой.

Согласно Возможные неоднозначности в уравнении состояния нейтронных звезд , именно теория (уравнение состояния) нейтронных звезд вызывает текущую неопределенность в отношении пределов нейтронных звезд.

Кроме того, неизвестно, могут ли нейтронные звезды стать кварковыми звездами, прежде чем стать черными дырами. Для такого гипотетического события существует термин « кварковая новая ».

Да, существуют абсолютные пределы (с некоторой теоретической неопределенностью) для массы звезды-прародителя, которая может стать нейтронной звездой или черной дырой, и Солнце значительно ниже этого предела.

Другие ответы здесь говорят о диапазоне масс нейтронных звезд, но не дают прямого ответа на поставленный вами вопрос: ответ возникает из соображений того, что происходит в ядре звезды в ходе ее эволюции.

В звезде с массой, подобной Солнцу, при горении водорода в ядре образуется пепел гелия. Примерно через 10 миллиардов лет ядро ​​гаснет, а сжигание водорода в оболочке приводит к образованию красного гиганта. Ветвь красных гигантов прекращается с началом горения гелия в ядре, оставляя пепел ядра из углерода и кислорода в результате тройного альфа-процесса . После того, как ядро ​​снова погаснет, происходит сложный цикл горения водорода и гелия в оболочках вокруг ядра. Во время этой фазы звезда сильно увеличивается в размерах, превращаясь в асимптотическую звезду ветви красных гигантов (AGB). Звезды AGB неустойчивы к тепловым пульсациям и теряют большую часть своей оболочки из-за сильного ветра. Ожидается, что Солнце потеряет около$0.4-0.5M_{\odot}$на данный момент.

Теперь мы подходим к сути ответа. Остается ядро ​​из углерода и кислорода, возможно, с тонким слоем водорода/гелия сверху. При отсутствии ядерных реакций это ядро ​​сжимается, насколько это возможно, и охлаждается. В звезде, управляемой «нормальным» давлением газа, этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока центр не станет достаточно горячим, чтобы воспламенить горение углерода и кислорода (более высокая температура необходима для преодоления большего кулоновского отталкивания между более богатыми протонами ядрами). Однако ядра звезд-прародителей с массами$<8M_{\odot}$настолько плотны, что давление электронного вырождения берет верх. Электроны в газе сжаты настолько, что принцип исключения Паули приводит к тому, что все низкоэнергетические состояния полностью заполняются, оставляя много электронов с очень высокими энергиями и импульсами. Именно этот импульс обеспечивает давление, поддерживающее звезду. Важно отметить, что это давление не зависит от температуры . Это означает, что ядро ​​может продолжать остывать, не сжимаясь дальше . В результате в центре не становится горячее, и плавка никогда не возобновляется. Окончательная судьба таких звезд, как Солнце, и всего, что имеет массу на главной последовательности$<8M_{\odot}$должен быть остывающим белым карликом. Фигура$8M_{\odot}$неопределенно примерно$\pm 1M_{\odot}$, потому что детали потери массы во время фазы AGB не полностью решены теоретически, и трудно эмпирически оценить массы прародителей белых карликов.

Звезды более массивные, чем эта, имеют ядра, которые сжимаются в достаточной степени, чтобы начать дальнейшие стадии синтеза, что приводит к образованию железо-никелевого ядра. Синтез не может производить больше энергии от этих ядер, которые находятся на пике кривой энергии связи на нуклон, и, таким образом, звезда в конечном итоге коллапсирует, и ее масса ядра больше, чем может поддерживаться давлением вырождения электронов. Именно это коллапсирующее ядро ​​образует нейтронную звезду или черную дыру.

Интересное предостережение к моему ответу заключается в том, что у такой звезды, как Солнце, может быть эволюционный путь, чтобы стать нейтронной звездой, если бы она находилась в двойной системе. Аккреция компаньона может увеличить массу белого карлика, подняв его выше массы Чандрасекара — максимальной массы, которая может поддерживаться давлением вырождения электронов. Хотя в принципе это может образовать нейтронную звезду, считается, что более вероятным сценарием является то, что вся звезда взорвется как сверхновая типа Ia, не оставив после себя ничего.

Здесь есть два вопроса, а именно об ограничениях масс нейтронных звезд и о возможности того, что наше Солнце станет таковой. Я попытаюсь доказать, что это разные вопросы, а именно. первый об устойчивости, а второй об образовании таких объектов.

1) Ссылка DavePhD в комментариях ( здесь , для полноты картины) отвечает на него полностью. Существует много места для масс нейтронных звезд, потому что они неразрывно зависят от уравнения состояния ядерной (и, возможно, субъядерной) материи. Поскольку мы не знаем правильного уравнения состояния, трудно дать строгие границы. Без уравнения состояния можно было бы получить сколь угодно большую массу, просто увеличив радиус. Таким образом, в качественном отношении лучшее, что можно сделать, зависит от взаимодействия между массой и радиусом или плотностью, если хотите.

Самый строгий предел исходит из радиуса Шварцшильда, то есть, если вы сделаете слишком плотную звезду, она создаст горизонт событий и схлопнется в черную дыру. Кроме того, можно заметить, что скорость звука увеличивается с плотностью, поэтому, если вы попытаетесь сделать слишком плотную звезду, скорость звука у нее будет больше скорости света, что нарушает причинно-следственную связь. Это дает ограничение в различных возможных уравнениях состояния. Из этого соображения следует верхняя граница около 3,5 солнечных масс. Вы найдете все это более подробно обсужденным в вышеупомянутой статье. Резюме приведено на рис. 3, стр. 51. Я совершенно не знаком с аналогичным аргументом для нижних оценок масс, который использует только некоторые физические принципы (несмотря на мой первый, неверный,

2) Несколько независимо от предыдущего обсуждения, мы можем быть уверены, что Солнце никогда не станет нейтронной звездой, какое бы уравнение состояния ни было правильным. Это связано с тем, что гравитационный коллапс звезды является крайне нелинейным процессом, который, помимо различных циклов ядерного синтеза, будет генерировать ударные волны. Поэтому он не будет протекать адиабатически, наоборот, эти процессы будут терять большую часть массы звезды. Следовательно, чтобы создать нейтронную звезду, нам нужно начать с очень тяжелой, обычно порядка десятков солнечных масс. По этой причине мы приписываем образование нейтронных звезд событиям сверхновых.

Существование черной дыры было предсказано путем решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Математически уравнения показывают, что в центре черной дыры может быть сингулярность. Смысл этой сингулярности в том, что масса черной дыры ограничена бесконечно малой точкой в ​​ее центре, поэтому плотность в этой точке бесконечна. Основная проблема с этим выводом заключается в том, что в сингулярности законы физики не работают. Именно это делает черную дыру загадкой и порождает ошеломляющие теории, например, что черные дыры являются порталами в другие вселенные или что можно путешествовать во времени.

Я утверждаю, что хотя это решение математически возможно, оно не имеет физического смысла. (Примечание: тот же аргумент был высказан и… Эйнштейном). Я постулирую, что должен быть предел максимальной плотности тел во Вселенной. В настоящее время преобладает следующая теория: черная дыра создается, когда звезда расходует свое топливо, а затем коллапсирует под действием гравитации. Конец этого процесса зависит от массы звезды. Если масса звезды составляет 1,39 массы Солнца (обозначается как предел Чандрасекара), гравитация достаточно сильна, чтобы объединить протоны и электроны, чтобы создать нейтроны и, таким образом, создать нейтронную звезду. Нейтроны и остаточные протоны упакованы в нейтронной звезде с максимальной плотностью. Если масса звезды находится в пределах 1. Гравитация от 5 до 3 солнечных масс становится достаточно сильной, чтобы разбить нуклоны на составляющие (кварки и глюоны), и тогда звезда становится черной дырой, имеющей в центре точку сингулярности с бесконечной плотностью. Частично я согласен с текущей теорией. А именно: 1) Происхождение нейтронной звезды и черной дыры — это гравитационный коллапс звезды. 2) Конечная масса нейтронной звезды или черной дыры связана с начальной массой звезды. Во Вселенной наблюдались нейтронные звезды. Нейтронная звезда содержит нуклоны (нейтроны и протоны), упакованные с максимально возможной плотностью во Вселенной. Плотность нейтронной звезды составляет от 3,7x10^17 до 5,9x10^17 кг/м^3, что сравнимо с приблизительной плотностью атомного ядра 3x10^17 кг/м^3.https://en.wikipedia.org/wiki/Нейтрон_стар

Что касается черной дыры: я утверждаю, что механизм создания нейтронной звезды применим и к черной дыре. Я имею в виду, что создание черной дыры происходит не за счет дальнейшего сжатия ее массы, разбивая, таким образом, нуклоны на их фундаментальные составляющие, как это постулируется современной теорией, а за счет добавления нуклонов к ядру для получения максимальной плотности. У моего утверждения две причины. Первый — теоретический, принцип исключения Паули. Принцип исключения запрещает двум идентичным фермионным частицам одновременно занимать одно и то же место. Если размер черной дыры становится бесконечно малым, то нуклоны должны перекрывать друг друга, вопреки принципу запрета Паули.

Вторая причина экспериментальная. Отмечу два известных эксперимента. Первый эксперимент измеряет силу между нуклонами как функцию расстояния между ними. В ходе испытаний, проведенных на коллайдерах частиц, было обнаружено, что сила между двумя нуклонами описана в https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_force . На этом графике сила (в ньютонах) представлена ​​в зависимости от дальности — расстояния между двумя нуклонами (фм). График показывает, что для дальности менее 0,8 фута сила становится большой силой отталкивания. Вывод состоит в том, что два нуклона не могут быть втиснуты в одно и то же пространство.
Второй эксперимент был недавно проведен физиками-ядерщиками из лаборатории Джефферсона. Они измерили распределение давления внутри протона. Полученные данные показывают, что строительные блоки протона, кварки, подвергаются давлению в 100 дециллионов Паскалей (10^35) вблизи центра протона, что примерно в 10 раз превышает давление в сердце нейтронной звезды. Это означает, что направленное наружу давление от центра протона больше, чем направленное внутрь давление вблизи периферии протона, и поэтому нейтронная звезда не может коллапсировать. https://www.jlab.org/node/7928

Теперь возникает вопрос, почему черные дыры не наблюдаются напрямую, в то время как нейтронные звезды наблюдаются. Мой ответ: видимость зависит от соотношения между физическим радиусом ядра и радиусом Шварцшильда. Если небесное тело имеет радиус ядра больше, чем его радиус Шварцшильда, оно будет наблюдаться. С другой стороны, если у небесного тела радиус ядра меньше радиуса Шварцшильда, оно будет скрыто. Примером этого являются следующие расчеты:

Предел масс между нейтронной звездой и черной дырой.

Существует предел массы нейтронной звезды. В этом пределе, если к нейтронной звезде добавить больше массы, она станет черной дырой. Предельную массу можно найти, приравняв радиус Шварцшильда к радиусу ядра нейтронной звезды.

Этот результат хорошо согласуется с наблюдениями. Самая маленькая черная дыра, наблюдаемая во Вселенной, — XTE_J1650-500. Его масса оценивается примерно в 5-10 масс Солнца.
https://en.wikipedia.org/wiki/XTE_J1650-500

Подводить итоги:

1) Черная дыра — это, по сути, нейтронная звезда. Подобно нейтронной звезде (а также ядру атома) он сжат до максимально возможной во Вселенной плотности. 2) Масса черной дыры должна быть больше ~5,25 массы Солнца. При такой массе физический радиус черной дыры меньше ее радиуса Шварцшильда. 3) Возможно, что температура черной дыры выше температуры нейтронной звезды. Однако эта температура не может быть измерена наблюдателем за пределами радиуса Шварцшильда. 4) Можно показать, что гравитация нейтронной звезды и гравитация черной дыры Млечного Пути составляют 2x10^12 м/сек^2 и 2,6x10^14 м/сек^2 соответственно. 5) Физические условия 3) и 4) показывают, что черная дыра не может быть порталом в другие Вселенные.