Jak gwiazda neutronowa zapada się w czarną dziurę?

Znamy spektakularne wybuchy supernowych, które, gdy są wystarczająco ciężkie, tworzą czarne dziury. Emisja wybuchowa zarówno promieniowania elektromagnetycznego, jak i ogromnych ilości materii jest wyraźnie obserwowalna i dość dokładnie zbadana. Jeśli gwiazda była wystarczająco masywna, pozostałością będzie czarna dziura. Jeśli nie będzie wystarczająco masywny, będzie gwiazdą neutronową.

Teraz jest inny sposób tworzenia czarnych dziur: gwiazda neutronowa przechwytuje wystarczającą ilość materii lub dwie gwiazdy neutronowe zderzają się, a ich połączona masa wytwarza wystarczającą siłę grawitacji, aby spowodować kolejne zapadnięcie się - w czarną dziurę.

Jakie efekty są z tym związane? Czy istnieje wybuchowe uwolnienie jakiegoś rodzaju promieniowania lub cząstek? Czy to jest obserwowalne? Jakie procesy fizyczne zachodzą w neutronach poddawanych krytycznemu wzrostowi ciśnienia? Jaka jest masa nowej czarnej dziury w porównaniu do jej gwiazdy pochodzenia neutronowego?

Gwiazda neutronowa musi mieć minimalną masę co najmniej 1,4x mas Słońca (to jest 1,4x masy naszego Słońca), aby stać się gwiazdą neutronową. Zobacz limit Chandrasekhar na wikipedii, aby uzyskać szczegółowe informacje.

Gwiazda neutronowa powstaje podczas supernowej , eksplozji gwiazdy mającej co najmniej 8 mas Słońca.

Maksymalna masa gwiazdy neutronowej wynosi 3 masy słoneczne. Jeśli stanie się bardziej masywny, zapadnie się w gwiazdę kwarkową , a następnie w czarną dziurę.

Wiemy, że 1 elektron + 1 proton = 1 neutron;

1 neutron = 3 kwarki = kwark górny + kwark dolny + kwark dolny;

1 proton = 3 kwarki = kwark w górę + kwark w górę + kwark w dół;

Supernowa powoduje albo gwiazdę neutronową (od 1,4 do 3 mas Słońca), gwiazdę kwarkową (około 3 masy Słońca) lub czarną dziurę (większą niż 3 masy Słońca), która jest pozostałym zapadniętym jądrem gwiazdy.

Podczas supernowej większość masy gwiezdnej jest wydmuchiwana w przestrzeń kosmiczną, tworząc elementy cięższe od żelaza, których nie można wytworzyć przez nukleosyntezę gwiazd, ponieważ poza żelazem gwiazda potrzebuje więcej energii do stopienia atomów, niż wraca.

Podczas rozpadu supernowej atomy w rdzeniu rozpadają się na elektrony, protony i neutrony.

W przypadku, gdy supernowa powoduje powstanie rdzenia gwiazdy neutronowej, elektrony i protony w rdzeniu łączą się w neutrony, więc nowo narodzona gwiazda neutronowa o średnicy 20 km zawierająca od 1,4 do 3 mas Słońca jest jak gigantyczne jądro atomowe zawierające tylko neutrony.

Jeśli następnie masa gwiazdy neutronowej zostanie zwiększona, neutrony ulegają degeneracji, rozpadając się na ich kwarki składowe, w ten sposób gwiazda staje się gwiazdą kwarku; dalszy wzrost masy powoduje powstanie czarnej dziury.

Górny / dolny limit masy dla gwiazdy kwarkowej nie jest znany (a przynajmniej nie mogłem go znaleźć), w każdym razie jest to wąski pas wokół 3 mas Słońca, który jest minimalną stabilną masą czarnej dziury.

Kiedy mówimy o czarnej dziurze o stabilnej masie (co najmniej 3 masy słoneczne), warto wziąć pod uwagę, że występują one w 4 smakach: obrotowo-naładowane, obrotowo-nienaładowane , nieobrotowo-naładowane, nieobrotowo-nienaładowane .

To, co zobaczylibyśmy wizualnie podczas transformacji, stanowiłoby twardy błysk promieniowania. Jest tak, ponieważ podczas zapadania się cząsteczki na powierzchni / w pobliżu jej powierzchni mają czas na emitowanie twardego promieniowania, gdy rozpadają się przed wejściem w horyzont zdarzeń; więc może to być jedna z przyczyn rozbłysków gamma (GRB).

Wiemy, że atomy rozpadają się na protony, neutrony, elektrony pod ciśnieniem.

Pod większym ciśnieniem protony i elektrony łączą się w neutrony.

Pod jeszcze większą presją neutrony rozkładają się na kwarki.

Pod jeszcze większą presją kwarki rozpadają się na jeszcze mniejsze cząsteczki.

Ostatecznie najmniejszą cząsteczką jest struna : otwarta lub zamknięta pętla, i ma długość Plancka, która jest o wiele rzędów wielkości mniejsza niż kwark. jeśli sznurek zostanie powiększony, aby miał długość 1 milimetra, wówczas proton miałby średnicę, która byłaby ściśle dopasowana między Słońcem a Epsilon Eridani, w odległości 10,5 lat świetlnych; tak duży jest proton w porównaniu do struny, więc można sobie wyobrazić, że może być całkiem sporo pośrednich rzeczy między kwarkami a strunami.

Obecnie wydaje się, że potrzeba więcej kilku dekad, aby zrozumieć całą matematykę w teorii strun, a jeśli jest coś mniejszego niż struny, wówczas wymagana będzie nowa teoria, ale jak dotąd teoria strun wygląda dobrze; zobacz książkę Elegant Universe Briana Greene'a.

Sznurek jest czystą energią, a Einstein powiedział, że masa jest tylko formą energii, więc zapadnięcie się w czarną dziurę naprawdę rozkłada strukturę energii, która daje wygląd masy / materii / cząstek barionowych i pozostawia masę w najprostszym tworzą, otwarte lub zamknięte sznurki, to znaczy czystą energię związaną z grawitacją.

Wiemy, że czarne dziury (które nie są tak naprawdę dziurami ani osobliwościami, ponieważ mają masę, promień, obrót, ładunek, a zatem gęstość, która zmienia się w zależności od promienia) mogą odparować , porzucając całą swoją masę w postaci promieniowania, co dowodzi w rzeczywistości są energią. Odparowanie czarnej dziury następuje, jeśli jej masa jest mniejsza niż minimalna masa stabilnej czarnej dziury, która wynosi 3 masy słoneczne; promień Schwarzschilda równanie nawet mówi, co promień czarnej dziury jest podana jego masę i vice versa.

Więc możesz przekształcić wszystko, co chcesz, na przykład ołówek, w czarną dziurę, jeśli chcesz, i możesz skompresować ją do wymaganego rozmiaru, aby stała się czarną dziurą; po prostu natychmiast zamieniłby się całkowicie (odparował) w błysk twardego promieniowania, ponieważ ołówek jest mniejszy niż stabilna masa czarnej dziury (3 masy Słońca).

Właśnie dlatego eksperyment CERN nigdy nie stworzyłby czarnej dziury, aby połknąć Ziemię - subatomowa czarna dziura, nawet o masie całej Ziemi lub Słońca, wyparowałaby przed połknięciem czegokolwiek; w naszym Układzie Słonecznym nie ma wystarczającej masy, aby stworzyć stabilną czarną dziurę (3 masy słoneczne).

Prostym sposobem na zwiększenie masy gwiazdy neutronowej w celu przekształcenia się w czarną dziurę jest bycie częścią układu podwójnego, w którym znajduje się ona wystarczająco blisko innej gwiazdy, aby gwiazda neutronowa i jej para binarna krążyły wokół siebie , a gwiazda neutronowa wysysa gaz z drugiej gwiazdy , zyskując w ten sposób masę.

Oto ładny rysunek pokazujący dokładnie to.

Materia wpadająca do czarnej dziury jest przyspieszana w kierunku prędkości światła. W miarę przyspieszania materia rozkłada się na cząsteczki subatomowe i twarde promieniowanie, to znaczy promieniowanie rentgenowskie i gamma. Sama czarna dziura nie jest widoczna, ale widoczne jest światło z nieskończonej materii, które jest przyspieszone i rozbite na cząstki. Czarne dziury mogą również powodować efekt soczewki grawitacyjnej w świetle gwiazd / galaktyk tła.

Aby skupić się na jednej części pytania. Chociaż możliwe jest, że gwiazda neutronowa akretuje materiał, lub zderzają się dwie gwiazdy neutronowe, aby utworzyć czarne dziury, tego rodzaju zdarzenie musi być dość rzadkie (chociaż patrz poniżej)

Rozkład zmierzonych mas gwiazd i czarnych dziur neutronów można dopasować do szacowanego rozkładu rzeczywistego. Oto Ozel i in. (2012) . Widać wyraźną przerwę między gwiazdami neutronowymi o największej masie (obecnie rekordzista ma masę około i najmniejszymi czarnymi dziurami (około ). Potwierdziło to nieco wcześniejszą pracę Farra i wsp. (2011) . 5 M $2M_{\odot}$$5M_{\odot}$

Musi jednak nastąpić scalenie gwiazd neutronowych. Oczywistym przykładem jest podwójny układ gwiazdy neutronowej Hulse-Taylor, w którym dwa obiekty spiralnie się łączą, prawdopodobnie na skutek emisji fal grawitacyjnych, i połączą się za około 300 milionów lat. Łączna masa dwóch gwiazd neutronowych wynosi , ale masa każdej czarnej dziury, którą tworzą, byłaby mniejsza, a różnica promieniowałaby jako neutrina i fale grawitacyjne.$2.83M_{\odot}$

Uważa się, że łączące się gwiazdy neutronowe (lub łączące gwiazdę neutronową z układami podwójnymi czarnej dziury) są progenitorami krótkotrwałych rozbłysków gamma lub tak zwanych zdarzeń Kilonova, które są zwykle obserwowane w galaktykach o dużym przesunięciu ku czerwieni. Zwykle trwają sekundę lub krócej, ale obejmują uwalnianie energii około$\sim 10^{44}$J. Mogą wytwarzać czarną dziurę, a może masywniejszą gwiazdę neutronową. Pojawi się również sygnatura fali grawitacyjnej („ćwierkanie”), którą można wykryć w następnej generacji eksperymentów fali grawitacyjnej (obecnie rzeczywistość). Te czarne dziury mogą być izolowane, a zatem nie przedstawione w powyższym rozkładzie masy. Dalsza obserwacyjna sygnatura tych zdarzeń może być w postaci obecnych poziomów wielu ciężkich pierwiastków r-procesowych, takich jak Iridium i Złoto, które mogą być głównie wytwarzane podczas tych zdarzeń.

Co do akrecji na istniejącą gwiazdę neutronową - wygląda to dość rzadko, ponieważ może istnieć duża przerwa między najwyższymi masami, przy których gwiazdy neutronowe są wytwarzane w supernowych (może ), a maksymalną masą gwiazdy neutronowej . Wiemy, że ta ostatnia wynosi co najmniej , ale może być wyższa, być może o , maksimum dozwolone przez ogólną teorię względności. Jeśli chodzi o wynik tego hipotetycznego zdarzenia, dobrze trzymającego się fizyki niespekulatywnej, najbardziej prawdopodobne jest wytwarzanie masywnych hiperonów w rdzeniu gwiazdy neutronowej przy wystarczająco dużych gęstościach ( kg / m 2 M ⊙ 3 M ⊙ > 10 18 3 2 M $1.5M_{\odot}$$2M_{\odot}$$3M_{\odot}$$>10^{18}$$^3$), co doprowadziłoby do niestabilności (z powodu usunięcia zdegenerowanych neutronów, które zapewniają większość wsparcia); gwiazda neutronowa może następnie wśliznąć się w swój horyzont zdarzeń (około 6 km dla gwiazdy neutronowej ) i stać się czarną dziurą. Pewna eksplozja wydaje się mało prawdopodobna, choć może być możliwa sygnatura fali grawitacyjnej.$2M_{\odot}$

EDYCJA: Aktualizacja powyższego rozkładu masy NS / BH. Niedawno widziałem przemówienie na konferencji - wyjaśnienie dystrybucji ma dwa szerokie założenia; albo czarne dziury nie są wytwarzane w tym zakresie masy z powodu fizyki progenitorów, albo istnieje silne uprzedzenie obserwacyjne przeciwko ich zobaczeniu. Przykład poprzedniego wyjaśnienia można znaleźć w Kochanku (2014) , który sugeruje, że istnieje klasa „nieudanych supernowych” między 16 a 25 którym udaje się wyrzucić swoje koperty w słabych przejściowych zdarzeniach, ale odejść za ich rdzeniami helowymi, tworząc najniższą masę 5-8 czarnych dziur. Prekursory o mniejszej masie są wówczas odpowiedzialne za gwiazdy neutronowe. M $M_{\odot}$$M_{\odot}$

Obserwacyjny błąd polega na tym, że towarzysze czarnych dziur o najniższej masie w układach podwójnych mogą zawsze przepełniać płaty Roche'a. Powstała sygnatura akrecji zmienia zasięg widma towarzyszącego i uniemożliwia dynamiczne oszacowanie masy (np. Fryer 1999 ). Chandra Galaktyczna wybrzuszenie Badanie próbuje znaleźć przykłady spoczynkowy względnie małą rentgenowskiej jasności, zasłaniając kompaktowych binarne, w którym do pomiaru bardziej nieobciążonej rozkład masy czarną dziurę.

Dalsza edycja: Nadal pojawiają się wyzwania i twierdzą, że istnieją czarne dziury o „małej masie”, które mogłyby powstać w wyniku indukowanego akrecją zapadania się gwiazdy neutronowej (wskazała Alexandra Veledina). Na przykład Cygnus-X3 ma deklarowaną masę według Zdziarskiego i in. 2013 , ale tych obserwacji brakuje precyzji, aby być naprawdę pewnym.$2.4^{+2.1}_{-1.1}\ M_{\odot}$