¿Cómo colapsa una estrella de neutrones en un agujero negro?

Una estrella de neutrones debe tener una masa mínima de al menos 1,4 veces la masa solar (es decir, 1,4 veces la masa de nuestro Sol) para convertirse en una estrella de neutrones en primer lugar. Consulte el límite de Chandrasekhar en wikipedia para obtener más información.

Una estrella de neutrones se forma durante una supernova , una explosión de una estrella que tiene al menos 8 masas solares.

La masa máxima de una estrella de neutrones es de 3 masas solares. Si se vuelve más masivo que eso, colapsará en una estrella de quark y luego en un agujero negro.

Sabemos que 1 electrón + 1 protón = 1 neutrón;

1 neutrón = 3 quarks = quark up + quark down + quark down;

1 protón = 3 quarks = quark up + quark up + quark down;

Una supernova da como resultado una estrella de neutrones (entre 1,4 y 3 masas solares), una estrella de quark (alrededor de 3 masas solares) o un agujero negro (más de 3 masas solares), que es el núcleo colapsado restante de la estrella.

Durante una supernova, la mayor parte de la masa estelar es expulsada al espacio, formando elementos más pesados ​​que el hierro que no pueden generarse a través de la nucleosíntesis estelar, porque más allá del hierro, la estrella requiere más energía para fusionar los átomos de la que obtiene.

Durante el colapso de la supernova, los átomos del núcleo se descomponen en electrones, protones y neutrones.

En el caso de que la supernova dé como resultado un núcleo de estrella de neutrones, los electrones y protones en el núcleo se fusionan para convertirse en neutrones, por lo que la estrella de neutrones recién nacida de 20 km de diámetro que contiene entre 1,4 y 3 masas solares es como un núcleo atómico gigante. que contiene sólo neutrones.

Si luego aumenta la masa de la estrella de neutrones, los neutrones se degeneran, rompiéndose en sus quarks constituyentes, por lo que la estrella se convierte en una estrella de quark; un aumento adicional en la masa da como resultado un agujero negro.

El límite de masa superior/inferior para una estrella de quark no se conoce (o al menos yo no pude encontrarlo), en cualquier caso, es una banda estrecha alrededor de 3 masas solares, que es la masa mínima estable de un agujero negro.

Cuando se habla de un agujero negro con una masa estable (al menos 3 masas solares), es bueno considerar que vienen en 4 tipos: con carga giratoria, sin carga giratoria , sin carga giratoria y sin carga giratoria. .

Lo que veríamos visualmente durante la transformación sería un destello de radiación fuerte. Esto se debe a que, durante el colapso, las partículas sobre/cerca de la superficie tienen tiempo de emitir radiación fuerte a medida que se desintegran antes de pasar al horizonte de sucesos; por lo que esta podría ser una de las causas de los estallidos de rayos gamma (GRB).

Sabemos que los átomos se descomponen en protones, neutrones, electrones bajo presión.

Bajo más presión, los protones y electrones se combinan en neutrones.

Bajo una presión aún mayor, los neutrones se descomponen en quarks.

Bajo una presión aún mayor, quizás los quarks se descompongan en partículas aún más pequeñas.

En última instancia, la partícula más pequeña es una cuerda : bucle abierto o cerrado, y tiene una longitud de Planck, que es muchos órdenes de magnitud más pequeña que un quark. si se amplía una cuerda para que tenga 1 milímetro de longitud, entonces un protón tendría un diámetro que encajaría perfectamente entre el Sol y Epsilon Eridani, a 10,5 años luz de distancia; así de grande es un protón en comparación con una cuerda, por lo que puede imaginar que quizás haya bastantes cosas intermedias entre los quarks y las cuerdas.

Actualmente, parece que se necesitarán varias décadas más para descubrir todas las matemáticas en la teoría de cuerdas, y si hay algo más pequeño que las cuerdas, se requerirá una nueva teoría, pero hasta ahora la teoría de cuerdas se ve bien; ver el libro Universo Elegante de Brian Greene.

Una cuerda es pura energía y Einstein dijo que la masa es solo una forma de energía, por lo que el colapso en un agujero negro realmente rompe la estructura de energía que da la apariencia de masa/materia/partículas bariónicas, y deja la masa en su forma más simple. forma, cuerdas abiertas o cerradas, es decir, energía pura ligada por la gravedad.

Sabemos que los agujeros negros (que en realidad no son agujeros ni singularidades, ya que tienen masa, radio, rotación, carga y, por tanto, densidad, que varía con el radio) pueden evaporarse , cediendo toda su masa en forma de radiación, demostrando así en realidad son energía. La evaporación de un agujero negro ocurre si su masa está por debajo de la masa mínima de un agujero negro estable, que es de 3 masas solares; la ecuación del radio de Schwarzschild incluso te dice cuál es el radio de un agujero negro dada su masa, y viceversa.

Así que podrías transformar cualquier cosa que quieras, como tu lápiz, en un agujero negro si quisieras, y podrías comprimirlo al tamaño requerido para que se convierta en un agujero negro; es solo que inmediatamente se transformaría (evaporaría) por completo en un destello de radiación dura, porque un lápiz es menos que la masa estable del agujero negro (3 masas solares).

Esta es la razón por la que el experimento del CERN nunca podría haber creado un agujero negro para tragarse la Tierra: un agujero negro subatómico, incluso uno con la masa de toda la Tierra, o del Sol, se evaporaría antes de tragarse nada; no hay suficiente masa en nuestro sistema solar para hacer un agujero negro estable (3 masas solares).

Una forma sencilla de que una estrella de neutrones se vuelva más masiva para poder convertirse en un agujero negro es ser parte de un sistema binario, donde está lo suficientemente cerca de otra estrella para que la estrella de neutrones y su par binario se orbiten entre sí. , y la estrella de neutrones extrae gas de la otra estrella , ganando así masa.

Aquí hay un bonito dibujo que muestra exactamente eso.

La materia que cae en un agujero negro se acelera hacia la velocidad de la luz. A medida que se acelera, la materia se descompone en partículas subatómicas y radiación dura, es decir, rayos X y rayos gamma. Un agujero negro en sí mismo no es visible, pero sí es visible la luz de la materia que cae, que se acelera y se descompone en partículas. Los agujeros negros también pueden causar un efecto de lente gravitacional en la luz de las estrellas/galaxias de fondo.

Solo para centrarme en una parte de tu pregunta. Si bien es posible que una estrella de neutrones acumule material, o que dos estrellas de neutrones choquen, para formar agujeros negros, este tipo de evento debe ser bastante raro (aunque ver más abajo)

La distribución de masas de estrellas de neutrones y agujeros negros medidas se puede ajustar con una distribución real estimada. Aquí está, de Ozel et al. (2012) . Puede ver que hay una brecha clara entre las estrellas de neutrones de mayor masa (actualmente, el poseedor del récord tiene una masa de aproximadamente$2M_{\odot}$y los agujeros negros más pequeños (sobre$5M_{\odot}$). Esto confirmó un trabajo ligeramente anterior de Farr et al. (2011) .

Sin embargo, la fusión de las estrellas de neutrones debe ocurrir. El ejemplo obvio es el sistema binario de estrellas de neutrones de Hulse-Taylor, donde los dos objetos están girando juntos en espiral, presumiblemente por la emisión de ondas gravitacionales, y se fusionarán en unos 300 millones de años. La masa combinada de las 2 estrellas de neutrones es$2.83M_{\odot}$, pero la masa de cualquier agujero negro que creen sería menor, con la diferencia radiada en forma de neutrinos y ondas gravitacionales.

Se cree que las estrellas de neutrones fusionadas (o estrellas de neutrones fusionadas + binarios de agujeros negros) son los progenitores de los estallidos de rayos gamma de corta duración o los llamados eventos Kilonova que generalmente se ven en las galaxias de alto desplazamiento al rojo. Por lo general, duran un segundo o menos, pero implican una liberación de energía de aproximadamente$\sim 10^{44}$J. Pueden producir un agujero negro, o quizás una estrella de neutrones más masiva. También habrá una firma de ondas gravitacionales (un "chirrido") que podría ser detectada por la próxima generación de experimentos de ondas gravitacionales (ahora una realidad). Estos agujeros negros pueden estar aislados y, por lo tanto, no representados en la distribución de masa anterior. Otra firma observacional de estos eventos puede ser la forma de los niveles actuales de una serie de elementos pesados ​​del proceso r, como el iridio y el oro, que en su mayoría pueden producirse en estos eventos.

En cuanto a la acumulación en una estrella de neutrones existente, parece bastante raro porque puede haber una gran brecha entre las masas más altas en las que se producen estrellas de neutrones en supernovas (quizás$1.5M_{\odot}$) y la masa máxima de una estrella de neutrones. Sabemos que esto último es al menos$2M_{\odot}$, pero podría ser más alto, tal vez$3M_{\odot}$, el máximo permitido por la Relatividad General. En cuanto al resultado de este evento hipotético, siguiendo bien la física no especulativa, lo más probable que suceda sería la producción de hiperones masivos en el núcleo de la estrella de neutrones a densidades suficientemente altas ($>10^{18}$kg/m3$^3$), lo que conduciría a una inestabilidad (debido a la eliminación de neutrones degenerados que proporcionan la mayor parte del soporte); la estrella de neutrones puede entonces deslizarse dentro de su horizonte de sucesos (alrededor de 6 km para un$2M_{\odot}$estrella de neutrones) y convertirse en un agujero negro. Algún tipo de explosión parece poco probable, aunque podría ser posible una firma de ondas gravitacionales.

EDITAR: Una actualización sobre la distribución masiva de NS/BH anterior. Hace poco vi una charla en una conferencia: la explicación de la distribución tiene dos grandes ejes; o los agujeros negros no se producen en este rango de masas debido a la física de los progenitores, o existe un fuerte sesgo de observación en contra de verlos. Un ejemplo de la explicación anterior se puede encontrar en Kochanek (2014) , quien propone que existe una clase de "supernovas fallidas" entre 16 y 25$M_{\odot}$que logran expulsar sus envolturas en eventos transitorios débiles , pero dejan atrás sus núcleos de helio para formar la masa más baja 5-8$M_{\odot}$agujeros negros. Los progenitores de menor masa son entonces responsables de las estrellas de neutrones.

El sesgo de observación es que los compañeros de los agujeros negros de menor masa en los sistemas binarios pueden estar siempre desbordando sus lóbulos de Roche. La firma de acreción resultante inunda el espectro acompañante e impide una estimación dinámica de la masa (p. ej ., Fryer 1999 ). El Chandra Galactic Bulge Survey está intentando encontrar ejemplos de binarias compactas eclipsantes de luminosidad de rayos X inactiva y relativamente baja, con los que medir una distribución de masa de agujero negro más imparcial.

Edición adicional: sigue habiendo desafíos y afirmaciones de que hay agujeros negros de "baja masa" que podrían formarse a través del colapso inducido por acreción de una estrella de neutrones (señalado por Alexandra Veledina). Por ejemplo, Cygnus-X3 tiene una masa declarada de$2.4^{+2.1}_{-1.1}\ M_{\odot}$según Zdziarski et al. 2013 , pero estas observaciones carecen de la precisión para estar realmente seguros todavía.

Adición 30/6/20:

Ahora se ha encontrado un objeto compacto con una medida de masa precisa entre$2.5-2.67 M_{\odot}$. Fue detectado a través de una firma de ondas gravitacionales durante su fusión con un agujero negro mucho más masivo. Este objeto era la estrella de neutrones más masiva encontrada hasta el momento o el agujero negro menos masivo ( Abbott et al. 2020 ).