Wie kollabiert ein Neutronenstern in ein Schwarzes Loch?

Wir kennen die spektakulären Explosionen von Supernovae, die, wenn sie schwer genug sind, schwarze Löcher bilden. Die explosive Emission sowohl elektromagnetischer Strahlung als auch massiver Materiemengen ist deutlich zu beobachten und wird sehr gründlich untersucht. Wenn der Stern massereich genug wäre, wäre der Rest ein Schwarzes Loch. Wenn es nicht massiv genug wäre, wäre es ein Neutronenstern.

Jetzt gibt es eine andere Art der Erzeugung von Schwarzen Löchern: Der Neutronenstern fängt genug Materie ein oder zwei Neutronensterne kollidieren und ihre kombinierte Masse erzeugt genug Schwerkraft, um einen weiteren Kollaps zu verursachen - in ein Schwarzes Loch.

Welche Effekte sind damit verbunden? Gibt es eine explosive Freisetzung von Strahlung oder Partikeln? Ist es beobachtbar? Welche physikalischen Prozesse finden in den Neutronen statt, wenn sie einem kritischen Druckanstieg ausgesetzt sind? Wie groß ist die Masse des neuen Schwarzen Lochs im Vergleich zu seinem Neutronenursprungsstern?

Ein Neutronenstern muss eine Mindestmasse von mindestens dem 1,4-fachen der Sonnenmasse (dh dem 1,4-fachen der Masse unserer Sonne) haben, um überhaupt ein Neutronenstern zu werden. Siehe Chandrasekhar Limit auf Wikipedia für Details.

Ein Neutronenstern entsteht während einer Supernova , einer Explosion eines Sterns mit mindestens 8 Sonnenmassen.

Die maximale Masse eines Neutronensterns beträgt 3 Sonnenmassen. Wenn es massiver wird, zerfällt es in einen Quarkstern und dann in ein Schwarzes Loch.

Wir wissen, dass 1 Elektron + 1 Proton = 1 Neutron ist;

1 Neutron = 3 Quarks = Up-Quark + Down-Quark + Down-Quark;

1 Proton = 3 Quarks = Up-Quark + Up-Quark + Down-Quark;

Eine Supernova ergibt entweder einen Neutronenstern (zwischen 1,4 und 3 Sonnenmassen), einen Quarkstern (ungefähr 3 Sonnenmassen) oder ein Schwarzes Loch (größer als 3 Sonnenmassen), das der verbleibende kollabierte Kern des Sterns ist.

Während einer Supernova wird der größte Teil der Sternmasse in den Weltraum geblasen und bildet Elemente, die schwerer als Eisen sind und nicht durch Sternnukleosynthese erzeugt werden können, da der Stern neben Eisen mehr Energie benötigt, um die Atome zu verschmelzen, als er zurückbekommt.

Während des Zusammenbruchs der Supernova zerfallen die Atome im Kern in Elektronen, Protonen und Neutronen.

Für den Fall, dass die Supernova zu einem Neutronensternkern führt, werden die Elektronen und Protonen im Kern zu Neutronen verschmolzen, sodass der neugeborene Neutronenstern mit einem Durchmesser von 20 km, der zwischen 1,4 und 3 Sonnenmassen enthält, einem riesigen Atomkern gleicht enthält nur Neutronen.

Wenn dann die Masse des Neutronensterns erhöht wird, entarten die Neutronen und zerfallen in ihre konstituierenden Quarks, so dass der Stern ein Quarkstern wird. eine weitere Zunahme der Masse führt zu einem Schwarzen Loch.

Die obere / untere Massengrenze für einen Quarkstern ist nicht bekannt (oder zumindest konnte ich sie nicht finden), auf jeden Fall handelt es sich um ein schmales Band um 3 Sonnenmassen, was die minimale stabile Masse eines Schwarzen Lochs ist.

Wenn Sie von einem Schwarzen Loch mit einer stabilen Masse (mindestens 3 Sonnenmassen) sprechen, sollten Sie berücksichtigen, dass sie in vier Varianten vorliegen: rotierend geladen, rotierend ungeladen , nicht rotierend geladen, nicht rotierend ungeladen .

Was wir während der Transformation visuell sehen würden, wäre ein harter Strahlungsblitz. Dies liegt daran, dass die Teilchen auf / in der Nähe der Oberfläche während des Zusammenbruchs Zeit haben, harte Strahlung abzugeben, wenn sie sich auflösen, bevor sie in den Ereignishorizont eintreten. Dies könnte also eine der Ursachen für Gammastrahlen-Bursts (GRBs) sein.

Wir wissen, dass Atome unter Druck in Protonen, Neutronen und Elektronen zerfallen.

Unter stärkerem Druck verbinden sich Protonen und Elektronen zu Neutronen.

Unter noch mehr Druck zerfallen Neutronen in Quarks.

Unter noch mehr Druck zerfallen Quarks möglicherweise in noch kleinere Partikel.

Letztendlich ist das kleinste Teilchen eine Schnur : eine offene oder eine geschlossene Schleife mit einer Planck-Länge, die viele Größenordnungen kleiner ist als ein Quark. Wenn eine Schnur so vergrößert wird, dass sie 1 Millimeter lang ist, hat ein Proton einen Durchmesser, der genau zwischen die Sonne und Epsilon Eridani passt, die 10,5 Lichtjahre entfernt sind. So groß ist ein Proton im Vergleich zu einer Saite. Sie können sich also vorstellen, dass zwischen Quarks und Saiten einige Zwischenschritte liegen.

Derzeit werden noch einige Jahrzehnte benötigt, um die gesamte Mathematik in der Stringtheorie zu verstehen, und wenn es etwas Kleineres als Strings gibt, wird eine neue Theorie erforderlich sein, aber die Stringtheorie sieht bisher gut aus. siehe das Buch Elegant Universe von Brian Greene.

Eine Saite ist reine Energie, und Einstein sagte, dass Masse nur eine Form von Energie ist, so dass der Zusammenbruch in ein Schwarzes Loch die Energiestruktur, die das Erscheinungsbild von Masse / Materie / baryonischen Partikeln ergibt, wirklich auflöst und die Masse in ihrer einfachsten Form zurücklässt Form, offene oder geschlossene Saiten, das heißt reine Energie, die durch die Schwerkraft gebunden ist.

Wir wissen, dass Schwarze Löcher (die keine wirklichen Löcher oder Singularitäten sind, da sie Masse, Radius, Rotation, Ladung und damit Dichte haben, die mit dem Radius variieren) verdampfen können und ihre gesamte Masse in Form von Strahlung abgeben und sich somit als solche erweisen Sie sind tatsächlich Energie. Die Verdampfung eines Schwarzen Lochs tritt auf, wenn seine Masse unter der Mindestmasse eines stabilen Schwarzen Lochs liegt, die 3 Sonnenmassen beträgt. Die Schwarzschild-Radiusgleichung gibt sogar Auskunft darüber, wie groß der Radius eines Schwarzen Lochs ist und umgekehrt.

Sie können also alles, was Sie möchten, wie z. B. Ihren Stift, in ein Schwarzes Loch verwandeln und auf die erforderliche Größe komprimieren, damit daraus ein Schwarzes Loch wird. es ist nur so, dass es sich sofort vollständig in einen Blitz aus harter Strahlung verwandelt (verdunstet), weil ein Bleistift kleiner ist als die stabile Masse des Schwarzen Lochs (3 Sonnenmassen).

Aus diesem Grund hätte das CERN-Experiment niemals ein Schwarzes Loch zum Verschlucken der Erde erzeugen können - ein subatomares Schwarzes Loch, selbst eines mit der Masse der gesamten Erde oder der Sonne, würde verdunsten, bevor etwas verschluckt würde; Es gibt nicht genug Masse in unserem Sonnensystem, um ein stabiles (3 Sonnenmassen) Schwarzes Loch zu machen.

Ein einfacher Weg, wie ein Neutronenstern massereicher werden kann, um sich in ein Schwarzes Loch verwandeln zu können, besteht darin, Teil eines Binärsystems zu sein, in dem er nahe genug an einem anderen Stern ist, damit sich der Neutronenstern und sein Binärpaar gegenseitig umkreisen und der Neutronenstern saugt Gas vom anderen Stern ab und gewinnt so Masse.

Hier ist eine schöne Zeichnung, die genau das zeigt.

Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, wird in Richtung Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Wenn es beschleunigt wird, zerfällt die Materie in subatomare Teilchen und harte Strahlung, dh Röntgen- und Gammastrahlen. Ein Schwarzes Loch selbst ist nicht sichtbar, aber das Licht von anfallender Materie, das beschleunigt und in Partikel zerbrochen wird, ist sichtbar. Schwarze Löcher können auch einen Gravitationslinseneffekt auf das Licht von Sternen / Galaxien im Hintergrund verursachen.

Nur um sich auf einen Teil Ihrer Frage zu konzentrieren. Während es möglich sein kann, dass ein Neutronenstern Material ansammelt oder zwei Neutronensterne kollidieren, um schwarze Löcher zu bilden, muss diese Art von Ereignis ziemlich selten sein (obwohl siehe unten).

Die Verteilung der gemessenen Massen von Neutronensternen und Schwarzen Löchern kann mit einer geschätzten wahren Verteilung angepasst werden. Hier ist es, von Ozel et al. (2012) . Sie sehen, dass zwischen den Neutronensternen mit der höchsten Masse eine deutliche Lücke besteht (derzeit hat der Rekordhalter eine Masse von ungefähr$2M_{\odot}$ und die kleinsten schwarzen Löcher (ca $5M_{\odot}$). Dies bestätigte etwas frühere Arbeiten von Farr et al. (2011) .

Die Verschmelzung von Neutronensternen muss allerdings passieren. Das offensichtliche Beispiel ist das binäre Hulse-Taylor-Neutronensternsystem, bei dem die beiden Objekte, vermutlich durch die Emission von Gravitationswellen, spiralförmig zusammenwachsen und in etwa 300 Millionen Jahren miteinander verschmelzen werden. Die Gesamtmasse der 2 Neutronensterne beträgt$2.83M_{\odot}$, aber die Masse jedes Schwarzen Lochs, das sie erzeugen, wäre geringer, wobei der Unterschied als Neutrinos und Gravitationswellen abgestrahlt würde.

Man geht davon aus, dass verschmolzene Neutronensterne (oder verschmolzene Neutronensterne + Binäre Schwarze Löcher) die Vorläufer von kurzzeitigen Gammastrahlenausbrüchen oder sogenannten Kilonova-Ereignissen sind , die im Allgemeinen in Galaxien mit hoher Rotverschiebung auftreten. Diese dauern in der Regel eine Sekunde oder weniger, beinhalten jedoch eine Energiefreisetzung von etwa$\sim 10^{44}$J. Sie können ein Schwarzes Loch oder vielleicht einen massereicheren Neutronenstern erzeugen. Es wird auch eine Gravitationswellensignatur (ein "Zwitschern") geben, das von der nächsten Generation von Gravitationswellenexperimenten erkannt werden könnte (jetzt Realität). Diese Schwarzen Löcher sind möglicherweise isoliert und daher in der obigen Massenverteilung nicht dargestellt. Eine weitere Beobachtungssignatur dieser Ereignisse in der Form der aktuellen Niveaus einer Anzahl von schweren r-Prozesselementen, wie Iridium und Gold sein kann, dass Mai vor allem in diesen Ereignissen erzeugt werden.

Was die Akkretion auf einen vorhandenen Neutronenstern angeht, so sieht es ziemlich selten aus, da es möglicherweise eine große Lücke zwischen den höchsten Massen gibt, bei denen Neutronensterne in Supernovae erzeugt werden (vielleicht $1.5M_{\odot}$) und die maximale Masse eines Neutronensterns. Wir wissen, dass dies zumindest der Fall ist$2M_{\odot}$, aber es könnte vielleicht höher sein $3M_{\odot}$, das von der Allgemeinen Relativitätstheorie erlaubte Maximum. Was das Ergebnis dieses hypothetischen Ereignisses angeht, so ist es am wahrscheinlichsten, dass im Neutronensternkern massive Hyperonen mit ausreichend hohen Dichten erzeugt werden ($>10^{18}$ kg / m$^3$), was zu einer Instabilität führen würde (aufgrund der Entfernung von degenerierten Neutronen, die den größten Teil der Unterstützung liefern); Der Neutronenstern kann dann in seinen Ereignishorizont rutschen (ca. 6 km für a$2M_{\odot}$Neutronenstern) und wird ein Schwarzes Loch. Eine Art Explosion scheint unwahrscheinlich, obwohl eine Gravitationswellensignatur möglich sein könnte.

EDIT: Ein Update zur NS / BH-Massenverteilung oben. Ich habe kürzlich einen Vortrag auf einer Konferenz gesehen - die Erklärung der Verteilung hat zwei große Stoßrichtungen; Entweder werden die Schwarzen Löcher aufgrund der Physik der Vorfahren nicht in diesem Massenbereich produziert, oder es gibt eine starke beobachtende Tendenz, sie nicht zu sehen. Ein Beispiel für die frühere Erklärung findet sich in Kochanek (2014) , der vorschlägt, dass es eine Klasse von "gescheiterten Supernovae" zwischen 16 und 25 gibt$M_{\odot}$diese schaffen es, ihre Hüllen bei schwachen transienten Ereignissen auszuwerfen , lassen jedoch ihre Heliumkerne zurück, um die niedrigste Masse 5-8 zu bilden$M_{\odot}$Schwarze Löcher. Für die Neutronensterne sind dann Vorläufer mit geringerer Masse verantwortlich.

Die beobachtende Tendenz ist, dass die Gefährten der Schwarzen Löcher mit der niedrigsten Masse in binären Systemen ihre Roche-Lappen immer überfluten. Die resultierende Akkretionssignatur überflutet das Begleitspektrum und verhindert eine dynamische Massenschätzung (z . B. Fryer 1999 ). Die Chandra Galactic Bulge Umfrage versucht, Beispiele für ruhende, relativ niedrige Röntgenlichtstärke zu finden, die kompakte Binärdateien überdecken, mit denen eine unvoreingenommenere Massenverteilung von Schwarzen Löchern gemessen werden kann.

Further Edit: Es gibt weiterhin Herausforderungen und Behauptungen, dass es "massearme" Schwarze Löcher gibt, die durch akkretionsbedingten Kollaps eines Neutronensterns entstehen könnten (worauf Alexandra Veledina hinweist). Zum Beispiel hat Cygnus-X3 eine behauptete Masse von$2.4^{+2.1}_{-1.1}\ M_{\odot}$nach Zdziarski et al. 2013 , aber diesen Beobachtungen fehlt die Präzision, um noch wirklich sicher zu sein.