Cuando una estrella de neutrones acumula suficiente masa, ¿comienza un agujero negro en su centro?

Los agujeros negros (y los horizontes de eventos) no son causados ​​por la densidad. Y sí, siempre empiezan en el centro, incluso cuando el 100 % de la masa y la energía se encuentra en el caparazón lejos del centro.

Lo primero que debe recordar es que no "siente" un horizonte de eventos. De hecho, si los extraterrestres se dirigieran hacia la Tierra desde todas las direcciones y fueran acaparadores (o simplemente prefirieran traer sus planetas con ellos en lugar de construir naves espaciales), entonces podríamos estar dentro de un horizonte de eventos en este momento y ni siquiera saberlo. ! No sientes un horizonte de eventos y no se forma debido a la gran densidad.

Incluso puede tener una densidad infinita y aún así no formar un horizonte de eventos.

Entonces, preguntémonos qué es realmente un horizonte de eventos. En primer lugar, es una superficie que tiene un interior y un exterior. En segundo lugar, es una superficie unidireccional. Las cosas pueden ir de afuera hacia adentro pero no al revés. En tercer lugar, los observadores que se quedan afuera nunca ven el interior, no porque tengas una jaula de Faraday o algo que bloquee la luz, sino porque la geometría no permite que ni siquiera la velocidad de la luz cruce el horizonte.

Puedes pensar en el horizonte como algo que pasa por delante de cualquier evento a la velocidad de la luz que se aleja.

Por ejemplo, si tienes un observador que está acelerando a una velocidad (y dirección) constante, de modo que en el espacio de Minkowski tendrían una noción hiperbólica, entonces ese observador tiene un horizonte, el límite entre los eventos que ven y los que nunca ven. Y es una superficie perfectamente normal que se mueve a lo largo de una dirección fija a la velocidad de la luz.

Es una "última llamada", como si envías una señal de luz ahora , eventualmente puedes llegar a ese observador, pero si esperas más allá de este evento, nunca lo alcanzarás. No se siente como una "cosa" per se.

Entonces, si una capa gigante de materia se colapsara a tu alrededor y tú fueras materia normal y la capa se contrajera lentamente, podría haber un punto en el que se concentre demasiado (demasiado en el interior en comparación con el área de la superficie ) . Entonces, desde el exterior parecería un agujero negro. El agujero negro es un horizonte de sucesos.

Básicamente es agrupar a todos los observadores que se quedaron afuera y marcar un punto en el que se podía contactar con ellos y en el que no.

Por ejemplo, en el ejemplo anterior, si no desea que los extraterrestres se contraigan sobre usted desde todas las direcciones y lo atrapen dentro de un agujero negro, podría enviarles un mensaje y, si lo envía lo suficientemente temprano, podría decirles que dejen de contraerse (ya sea ellos complacerían es, por supuesto, depende de ellos).

En algún momento, si no hubieras enviado el mensaje, ahora habría sido demasiado tarde. Tu mensaje no les llegaría a tiempo. Esperaste demasiado. Ese es el evento donde se forma el horizonte de eventos. En el centro, en este momento esperaste demasiado. Se expande a la velocidad de la luz en todas direcciones. Podría fusionarse con otros horizontes de eventos que también comenzaron en eventos y luego comenzaron a expandirse a la velocidad de la luz. Eventualmente se expande y golpea la superficie.

Si la superficie estuviera lejos del centro, podría pasar mucho tiempo antes de que se forme una singularidad. Pero el horizonte de eventos comenzó tan pronto como era demasiado tarde (dependiendo de la ubicación) para llegar al exterior.

Entonces, incluso puede tener una bola esférica completamente vacía y luego tener una capa de masa infinitamente densa en el exterior. Mientras no tenga demasiada masa por área de superficie, está bien. Entonces, una masa que es infinita por unidad de volumen pero aún finita por unidad de área, dado que el área es más grande que$4\pi (2m)^2$para la masa$m$, las cosas seguirían estando bien. Pero si el caparazón se contrae para tener un área de superficie demasiado pequeña, se ve envuelto por un horizonte de eventos.

En cuyo caso, el horizonte de eventos comenzaría en el centro, y justo en el momento en que necesita expandirse para convertirse en el límite alrededor del caparazón antes de alcanzar la masa crítica por área (en lugar de después y, por lo tanto, quedar atrapado dentro para siempre).

Y el momento crítico exacto en realidad solo depende de la geometría. ¡Todo es solo geometría! En el momento en que la geometría deja de dejar escapar, se forma el horizonte. Se expande a la velocidad de la luz (de lo contrario podrías cruzarlo). Y lo hace para un marco inercial. Eventualmente llega a un punto donde expandirse a la velocidad de la luz significa permanecer en un lugar que tiene la misma geometría local. Cuando llega a la superficie crítica, puede expandirse a la velocidad de la luz y tener la misma geometría por fuera y por dentro. Y esa superficie atrapada es realmente lo que hace que el horizonte de eventos se "pegue".

Entonces, en esencia, el horizonte comienza en el interior y continúa expandiéndose hasta que llega al "exterior", luego simplemente se "pega" allí.

Su pregunta asume implícitamente que por encima de cierta densidad crítica, una región del espacio colapsará en un agujero negro. Bueno, encontremos esa densidad:

El radio de Schwarzschild es:

y la densidad viene dada por:

Lo que significa que

Eso es problemático porque la densidad depende de la masa... Pero a partir de esta relación, podemos ver que a medida que la masa crece, ¡la densidad crítica en realidad se vuelve más pequeña ! Intentemos encontrar la densidad en términos de radio en su lugar:

Como puede ver, tenemos una relación similar: a medida que el radio aumenta, la densidad crítica aún se reduce.

Esta no es una respuesta completa porque los comentarios de HDE cubren su punto principal (creo), es solo para tratar su primera pregunta:

Con cuerpos menos densos, como la tierra y el sol, el centro tiene menos gravedad/densidad (ya que hay una cantidad igual de masa que rodea el centro, tirando de él desde todas las direcciones).

Una estimación de las densidades de las distintas capas de la Tierra.

Densidad de las capas terrestres

Las estimaciones varían, pero algunos valores aproximados deberían ser los siguientes (en gramos por centímetro cúbico):

Continental Crust:    2.7 to 3.0
Oceanic Crust:        3.0 to 3.3
Mantle (silicates):   3.3 to 5.7 (increasing with depth?)
Outer Core (liquid):  9.9 to 12.2
Inner Core (solid):  12.6 to 13.0

El resto de tu pregunta:

Más precisamente, ¿los grupos de quarks no se fusionarían más allá de la densidad crítica comenzando en la parte más densa de la estrella de neutrones (el caparazón que rodea su núcleo), resultando en un caparazón de agujeros negros microscópicos fusionados que rodean técnicamente un núcleo de sopa de quarks y gluones? ¿aún fuera de cualquier horizonte de sucesos hasta que los agujeros negros fusionados lo alcancen?

parece estar basado en la idea de que la densidad es menor en el centro.

La presión en el núcleo de la Tierra podría estar relacionada con su pregunta.

Solo por diversión, aunque creo que esto ya se cubrió en gran medida. El núcleo interno de la Tierra es, con mucho, la parte más densa de la tierra (digamos 13 gramos por cm), pero también es bastante pequeño en comparación. Es solo alrededor del 20% del radio de la Tierra (y menos del 1% en volumen, menos del 2% de la masa).

Entonces, en la superficie del núcleo de hierro de la Tierra, ignorando las capas externas, estaría 5 veces más cerca del centro de gravedad (lo que corresponde a 25 veces más gravedad dada la misma masa), pero la masa es menos de 1/50 - entonces la gravedad es realmente más baja usando la Tierra como ejemplo.

Fuentes: Fuente_1 y Fuente_2

Aunque, curiosamente, creo que en realidad puede tener razón en que el agujero negro puede formarse primero en el interior. No estoy seguro y solo podría suceder si el interior colapsara a una densidad mucho mayor que las capas externas, esencialmente colapsando a medida que la Degeneración o las degeneraciones son superadas por la presión.

A medida que la estrella de neutrones colapsa, es muy posible que el agujero negro se forme primero en el interior y se expanda hacia el exterior a medida que cae la materia exterior. Pero solo estoy teorizando. Podría estar equivocado.