Warum kann es jetzt keinen Quasistar geben?

Durch meine Forschung fand ich heraus, dass Quasistare theoretisch aufgrund eines Schwarzen Lochkerns existierten, dessen Strahlungsdruck der Schwerkraft innerhalb des Sterns entgegenwirkte. Auf einigen Websites wurde jedoch angegeben, dass Quasistare derzeit nicht existieren, da Metalle Wasserstoff und Helium kontaminieren.

Könnte mir jemand erklären, warum Metalle (oder eine kleine Verdrängung von Wasserstoff und Helium) den Strahlungsdruck eines Schwarzen Lochs beeinflussen würden, oder gibt es nur keinen Ort, an dem so viel Masse (über 1000 Sonnenmassen) irgendwo an einem Ort existieren kann ?

Ich habe auf Wikipedia gesucht (normalerweise mache ich das und recherchiere dann auf verschiedenen Websites, wenn ich dort etwas Interessantes finde) und hier 1 .

Gaswolken mit Massen viel höher als $10^3\,M_\odot$sind in Galaxien reichlich vorhanden; Die typischen sternbildenden Wolken (die sogenannten Molekülwolken ) haben Massen von$10^3\,M_\odot$ zu $10^7\,M_\odot$. Wenn Quasistare (hypothetische Sterne, die nicht durch Kernfusion, sondern durch Akkretion auf einem zentralen Schwarzen Loch angetrieben werden) heute nicht existieren können, liegt dies daran, dass das gesamte Gas im Universum mit Metallen verschmutzt ist.

Sterne bilden sich aus zusammenbrechenden Gaswolken. Damit eine Region einer Wolke zusammenbricht, muss sie ausreichend dicht und ausreichend kühl sein. Wenn es zu verdünnt ist, gibt es nicht genug Schwerkraft, und wenn es zu heiß ist, wirkt die Energie der einzelnen Atome dem Zusammenbruch entgegen und lässt die Atome entkommen.

Jeans Masse

Dieses Kriterium wird in der Jeans-Instabilitätsgleichung erfasst . Die Beziehung kann auf verschiedene Arten ausgedrückt werden; Eine Möglichkeit ist zu sagen, dass die Masse der Wolke - oder ein kleiner Bereich davon - die "Jeansmasse" überschreiten muss:

Aus dieser Gleichung geht hervor, dass die Schwelle umso kleiner ist, je kühler das Gas ist. Mit anderen Worten, die kleineren Sterne, die Sie bilden können. Wenn das Gas nicht abkühlen kann, fallen nur die größten Klumpen zusammen, und daher sind solche Sterne sehr massiv.

Gaskühlung

Wie kühlt sich das Gas ab? Heißes Gas bedeutet, dass die Partikel große Geschwindigkeiten haben. Wenn die Teilchen kollidieren, können sie sich gegenseitig anregen und ein Elektron auf Kosten der Verlangsamung - dh Abkühlung - in einen höheren Zustand bringen. Wenn das Elektron abregt, wird ein Photon emittiert, das das System verlassen kann. Somit wird die kinetische Energie der Atome in elektromagnetische Energie umgewandelt, die entweicht.

Ein Elektron wird jedoch nur dann angeregt, wenn die Energie der Kollision eng mit der für die Anregung benötigten Energie übereinstimmt. Wenn die Kollisionsenergie zu hoch oder zu niedrig ist, prallen die Atome einfach voneinander ab und behalten ihre Gesamtenergie bei (obwohl eines etwas Energie auf das andere übertragen kann).

Die Wirkung von Metallen

Wenn das Gas nur aus Wasserstoff und Helium besteht, stehen nur wenige Energien zur Anregung zur Verfügung. Wasserstoff kann sich effizient abkühlen$T\sim10^4\,\mathrm{K}$, während Helium effizient abkühlt $T\sim10^5\,\mathrm{K}$Bei anderen Temperaturen neigt das Gas jedoch dazu, bei seiner gegebenen Temperatur zu bleiben.

Sobald es jedoch einige Metalle gibt, ermöglichen die vielen Elektronen dieser Metalle mit ihren vielen möglichen Übergängen die Anregung von Atomen mit vielen möglichen Energien. Also vor einer Gaswolke von$M\sim10^3\,M_\odot$ kollabiert zu a $10^3\,M_\odot$ Stern, es wird in kleinere Stücke fragmentieren und kleinere Sterne bilden.

Wenn Sie einen sehr massiven Protostern bauen, mehr als tausend Sonnenmassen, kann der Kern des Protostars direkt zu einem Schwarzen Loch zusammenbrechen, während er noch von einer massiven Hülle umgeben ist. Der Zusammenbruch erfolgt "von innen nach außen", so dass der Umschlag langsamer zusammenfällt. Es gibt jedoch eine maximale Geschwindigkeit, mit der Schwarze Löcher wachsen können, da das Kompressionsmaterial sehr heiß wird und viel Strahlung abgibt und der Strahlungsdruck den Kollaps (vorübergehend) zum Stillstand bringen kann. Dies ist ein Quasi-Stern.

Der Schlüssel zu einem Quasi-Stern ist seine große Anfangsmasse, die verhindert, dass die Hülle durch die anfängliche Energiefreisetzung während der Bildung des Schwarzen Lochs "weggeblasen" wird. Solche massiven Protosterne können im frühen Universum nur aus unberührtem Material gebaut werden. Wenn das Material mit schwereren Elementen verschmutzt ist, kann es leichter abkühlen - die schwereren Atome können Moleküle bilden und Energie abstrahlen. Diese Abkühlung ermöglicht es einer großen Wolke, in viel kleinere Stücke zu fragmentieren, so dass im heutigen Universum der Zusammenbruch einer so großen Wolke nicht zu einem massiven Protostern führen würde, sondern zu einer Gruppe kleinerer Protosterne.

Die Zugabe von Metallen (dh Elementen, die schwerer als Helium sind) zu einer Sternmischung macht sie für Strahlung weniger transparent. Grundsätzlich haben Wasserstoff und Helium relativ einfache und nicht überfüllte Spektren, aber die "Metalle" fügen viele neue Spektrallinien hinzu und die Mischung absorbiert viel mehr Licht und wird dadurch effizienter erwärmt und nimmt auch mehr Impuls von ihr auf.

Das Gas im frühen Universum hatte dann weniger Metalle und wurde daher weniger von der Strahlung eines kondensierenden neuen Sterns beeinflusst. Folglich könnte der Stern zu einer höheren Masse wachsen, bevor seine Strahlung den Zufluss von Gasen unterbricht und ihn wachsen lässt. (Heute liegt die Obergrenze für die Sternentstehung bei etwa 100 Ssolarmassen; bei einer Mischung aus nur H und He scheinen es bis zu 250 Sonnenmassen zu sein.) Eine gute Erklärung finden Sie im Wikipedia-Artikel . Diese supergroßen Sterne werden benötigt, um einen Quasistar zu bilden, und können sich nur aus unbeschädigtem H / He bilden. Quasistare (wenn überhaupt) könnten sich also erst sehr früh in der Entwicklung des Universums bilden.