Почему газ образует звезду, а не черную дыру?

Когда космический газ стягивается, образуется звезда. С другой стороны, когда массивная звезда умирает, она коллапсирует в черную дыру.

Вы могли бы подумать, что первоначальная масса газа была бы больше, чем у звезды, которая существовала миллиард лет и потеряла массу в процессе.

Так что же помешало космическому газу сформировать черную дыру?

что препятствует тому, чтобы водяной пар при обычных для Земли диапазонах атмосферного давления сразу превратился в лед?
Я предлагаю отредактировать ваш заголовок, чтобы сказать «вместо а», а не «но не а», потому что последнее вводит в заблуждение — оно предполагает, что черная дыра может образовывать звезду.
@ruakh Справедливое замечание. «Вместо» мне как-то показалось понятнее, но я вижу, что оно может быть и двусмысленным.
Некоторым в любом случае не хватает массы, чтобы стать черной дырой, они в конечном итоге становятся нейтронными звездами или белыми карликами вместо черных дыр.
Начинает звучать как "Среди нашего вооружения есть такие разнообразные элементы, как..."

Ответы (5)

По сути, это газ, просто он сначала образует звезду.

Масса — не единственный фактор в создании черной дыры. Вам также необходимо, чтобы эта масса достигла высокой плотности. В процессе этого обычно образуется звезда. Энергопроизводящие процессы внутри звезды создают давление, которое уравновешивает гравитационное притяжение. Это не позволяет звезде достичь критической плотности, необходимой для образования черной дыры. Поскольку в этих процессах производства энергии заканчивается пригодное для использования топливо, звезда в конечном итоге коллапсирует сама на себя, создавая черную дыру.

Так что нельзя просто взять большой объем газа и создать черную дыру. Происходят другие физические процессы.

В качестве небольшого дополнения я хотел бы отметить, что, возможно, гигантские черные дыры в галактических центрах образовались в результате прямого коллапса в ранней Вселенной. В настоящее время это открытый вопрос и область активных исследований, но самые крупные из них, о которых мы знаем, напрягают самые быстрые модели формирования, которые у нас есть, для аккреции, начиная с черных дыр звездной массы.
Абсолютно. Я даже не подумал об этом, отвечая. Спасибо за это наблюдение.
Как только звезда формируется, не стремится ли ее излучение отогнать окружающий газ, эффективно останавливая в большинстве случаев процесс аккреции?
@sdenham Я далек от эксперта, но, безусловно, за пределами реального физического объекта, который мы называем звездой, я ожидаю, что гравитация превзойдет радиационное давление. Другими словами, газы по-прежнему будут падать внутрь, к звезде, а не отталкиваться звездой от нее.
Я тоже не эксперт. Газ попадает внутрь. Я имел в виду настоящий гравитационный коллапс, который не происходит из-за этого давления.
@MichaelKjörling Я думал, что радиационное давление, превосходящее гравитацию, было именно тем, что такое (супер)новая.
Не забывайте, что вы можете упасть внутрь, не приближаясь. Это называется орбита.
@MichaelKjörling Кажется, давление излучения является проблемой, но «когда плотность и температура достаточно высоки, начинается синтез дейтерия, и внешнее давление результирующего излучения замедляет (но не останавливает) коллапс ... Наконец, водород начинает сливаются в ядре звезды, а остальная часть окружающего материала очищается. Это завершает протозвездную фазу и начинает фазу главной последовательности звезды». ( en.wikipedia.org/wiki/Star_formation ) Далее в статье обсуждается, как очень массивные звезды могут продолжать аккрецировать вещество, несмотря на радиационное давление.
@DanNeely Поле Хиггса действовало как аттрактор? Связано ли это вообще с исследованиями тех ранних черных дыр? Если уж на то пошло, постулирует ли кто-нибудь другие давно умершие поля?
@CarlWitthoft Это далеко за пределами моей зоны знаний и, вероятно, должно быть два новых вопроса; но AIUI теория просто состоит в том, что в ранней Вселенной газ был достаточно плотным, чтобы материя массой от тысяч до миллионов солнечных могла коллапсировать непосредственно в ЧД в то время, когда галактики начали формироваться.
@ToddWilcox, это немного сложнее - насколько я понимаю, внутреннее ядро ​​​​перестает производить достаточно энергии, чтобы продолжать сопротивляться гравитации, и разрушается, отрываясь от внешней части звезды в процессе (поскольку она разрушается медленнее). Внезапное сжатие ядра вызывает большое накопление энергии, что, в свою очередь, отбрасывает внешние слои звезды, поэтому в итоге вы получаете уплотненную карликовую звезду (или черную дыру) — кто-нибудь поправьте меня, если это неверно .
@ToddWilcox этот ответ описывает происходящее лучше, чем я: astronomy.stackexchange.com/a/8215/17210
Не все звезды становятся черными дырами. Ваш ответ, кажется, утверждает, что они это делают.
@DanNeely Нет никаких проблем с формированием СМЧД из семян звездной массы, и нет необходимости выдвигать гипотезы сумасшедших идей, бросающих вызов мудрости астрофизики.
@walter Только что был на EWASS17 - много плакатов о том, как сложно построить черную дыру в миллиард солнечных масс из 100 звездных семян солнечной массы - большинство из них изучали альтернативы, которые упоминает ДэнНили.
@RobJeffries Это сложно только в том случае, если эффективность аккреции низкая, что имеет место только в том случае, если дыра вращается быстро. Из-за ошибочного раннего исследования долгое время считалось, что аккреционные диски всегда ориентируются на вращение ЧД и, следовательно, раскручивают ЧД вверх. Однако это было неправильно, аккреционные диски могут также антивыравниваться, когда вращение ЧД остается низким, а эффективность аккреции высокой. К сожалению, эта предыдущая ошибка привела к целой индустрии безумных идей для массивных начальных ЧД, и эту побеждающую сторону нельзя легко остановить...
@walter Литература? Как обойти временную шкалу Солпитера? Только через аккрецию диска? Действительно нужна аккреция "гипер-эддингтона". Смотрите выпуск «Астрономия и геофизика» за этот же месяц, который пришел мне сегодня по почте!

Проще говоря: потому что газ разрывает сам себя на части.

Когда газ (H или He) подвергается чрезвычайно высокому давлению, что происходит до образования черной дыры, атомы начинают ядерный синтез, который высвобождает много энергии. Этот непрерывный поток энергии делает солнце ярким, а также то, что удерживает солнце от коллапса в себя.

Когда при синтезе сгорает/плавится слишком много одного элемента, другой элемент становится доминирующим элементом для синтеза, что приводит к различным состояниям в течение жизни звезды. И как только у звезды заканчивается топливо, гравитация побеждает.

Как говорит Роб , вам потребуется намного больше массы, чем у «массивной звезды», чтобы противодействовать энергии ядерного синтеза.

В современной Вселенной этого не происходит по двум причинам. Во-первых, газ неустойчив к фрагментации при коллапсе. Причина этого в том, что масса Джинса , наименьшая масса, которая может разрушиться, масштабируется как Т 3 / 2 / р 1 / 2 , куда Т это температура и р плотность. Если газ может охлаждаться по мере коллапса, то температура остается примерно постоянной, масса Джинса падает, и облако распадается на более мелкие ядра. Эти ядра обычно намного меньше, чем (по крайней мере) несколько солнечных масс, необходимых для образования черной дыры (см. Ниже).

Во-вторых, каждое из этих ядер со временем становится горячее посередине. Для масс выше 0,075 М ⊙ , ядро ​​становится достаточно горячим для ядерного синтеза. Это поддерживает высокую температуру и давление, что сдерживает гравитацию до тех пор, пока не закончится топливо. После этого квантовая механика в форме вырождения электронов или вырождения нейтронов, давления или даже силы отталкивания между нуклонами может поддерживать звезду (как белый карлик или нейтронную звезду), но не в том случае, если она массивнее, чем ∼ 3 М ⊙ . Для газовых шаров с меньшей массой (коричневые карлики или планеты) они пропускают ядерный синтез и сразу же поддерживаются вырождением электронов.

Однако в ранней Вселенной то, что вы предлагаете, могло действительно произойти, и это может быть то, как сверхмассивные черные дыры и квазары существуют всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

Первичный газ, состоящий только из атомов водорода и гелия, не может охлаждаться очень эффективно (именно присутствие более тяжелых атомов, произведенных предыдущими поколениями звезд, в современных газовых облаках приводит к эффективному охлаждению). Таким образом, первичные облака менее подвержены фрагментации, потому что они нагреваются по мере того, как становятся более плотными, и масса Джинса не может стать маленькой. В таких обстоятельствах могло случиться так, что большая черная дыра ( 10 4 к 10 5 солнечных масс) может образоваться непосредственно из коллапсирующего газового облака.

См. этот пресс-релиз для альтернативного изложения этой идеи и ссылок на недавние научные статьи по этой теме (например , Agarawal et al. 2015 ; Regan et al. 2017 ).

В чем причина того, что легкие газы не могут эффективно охлаждаться?

Не полный ответ, а больше, чем комментарий. Разве мы не можем просто накапливать все больше и больше массы, чтобы преодолеть проблемы, представленные другими ответами? Наверняка в какой-то момент во Вселенной, например, в самом начале, условия были благоприятны для образования чрезвычайно массивных звезд, так что внутреннее давление могло преодолеть любое внешнее давление от тепла/термоядерного синтеза. Возможно, тогда сразу может образоваться черная дыра, несмотря на барьеры, препятствующие полному коллапсу. В конце концов, всегда есть барьеры, препятствующие полному коллапсу, будь то радиационное давление, давление вырождения и т. д. Это просто вопрос преодоления этого с достаточной массой.

Оказывается, кто-то уже задавал этот вопрос, и их ответ (иногда) нет. Джонсон и др. 2013 обсуждает идею первичных сверхмассивных черных дыр, образованных сверхмассивными звездами. Под сверхмассивным я подразумеваю ∼ 50 , 000 М ⊙ (самая большая, известная в настоящее время звезда в истории наблюдений ∼ 200 - 300 М ⊙ ). Их идея состоит в том, что в начале Вселенной может накопиться такое огромное количество массы, что у вас может быть «звезда» в некотором техническом смысле этого слова, но она почти сразу же (по сравнению с космологическими временными масштабами) образует черную дыру. Их окончательный результат состоял в том, что они обнаружили, что попытка преодолеть барьер радиационного давления, который вы видите при нормальном звездообразовании, путем накопления безумного количества массы просто приводит к тому, что вещи взрываются в «самом большом взрыве во Вселенной».

Фрагментация. Смотрите другие ответы.
@ProfRob В современной вселенной, конечно, фрагментация - это ответ. Мой ответ был призван дополнить существующие ответы, чтобы описать ситуацию в ранней Вселенной, где общие правила могут не применяться, потому что условия были совершенно другими. Я специально цитировал состояние, изученное в работе Johnson et al. 2013 г. в ранней Вселенной относительно массивного звездообразования. Я не понимаю, как этот ответ заслуживает отрицательного голоса. Это правильно и позволяет добавить больше информации и контекста к уже существующим ответам.

Когда этот космический газ стягивается вместе, образуя звезду, первоначальный газ и теперь звезда имеют ту же массу (неизменную), но размер уменьшается из-за гравитации. Когда звезда коллапсирует, превращаясь в черную дыру, их масса снова остается той же, но размер уменьшается из-за гравитации. Неправильно спрашивать таким образом:

Так что же помешало космическому газу сформировать черную дыру?

Космический газ в конце концов сжимается, превращаясь в черную дыру [если начальная масса достаточно хороша для того, чтобы он существовал в виде звезды, а затем схлопывался в виде черной дыры], только наблюдатель, наблюдающий часть за частью всего процесса [зависит от какой участок наблюдается]. Все просто, если заменить объект на аналогию с этим: нагревание льда. Лед тает, превращается в воду, а затем в газ. Теперь ОП как бы спрашивает: почему лед при нагревании превращается не в газ, а в воду? Звучит логично, но на самом деле это конструкция слов, мистифицированная простой аналогией.

Однако большинство звезд не станут черными дырами, в этом вся суть вопроса.
@ HDE 226868 Я знаю, что не каждая звезда становится черной дырой, она должна иметь определенную массу, чтобы соответствовать определенным критериям. Если первоначальный газ имеет достаточно хорошую массу, то, как и в другом ответе (от «Джона»), говорится: «По сути, это газ, просто он сначала образует звезду». Но ваш комментарий побуждает меня отредактировать, чтобы уточнить мой ответ, спасибо.
Почему газ образует звезду, а не черную дыру?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v