Estrellas de neutrones y agujeros negros

Las estrellas de neutrones observadas van desde$1.0 \pm 0.1 M_{\odot}$a$2.7 \pm 0.2 M_{\odot}$según la tabla 1 de The Nuclear Equation of State and Neutron Star Masses , que enumera docenas de ejemplos. Tenga en cuenta que la masa de la estrella de neutrones suele ser sustancialmente menor que la masa de su estrella progenitora; Al final del ciclo de vida estelar, una gran cantidad de masa desaparece, por ejemplo, una estrella que pasa por una fase AGB puede perder> 50% de su masa . Entonces nuestro$1M_\odot$Es probable que el Sol termine como un remanente estelar con$M < 1M_\odot$, probablemente una enana blanca.

De acuerdo con Structure of Quark Stars , la masa es el único parámetro a considerar para las estrellas de neutrones (pero no para las hipotéticas estrellas de quark), aunque creo que la tasa de rotación sería un factor.

Esta referencia también establece que las estrellas de neutrones pueden ser tan pequeñas como$0.1 M_{\odot}$, pero esto no implica que el sol se convierta realmente en una estrella de neutrones.

Según Posibles ambigüedades en la ecuación de estado de las estrellas de neutrones , es la teoría (ecuación de estado) de las estrellas de neutrones la que está provocando la incertidumbre actual sobre los límites de las estrellas de neutrones.

Además, se desconoce si las estrellas de neutrones pueden o no convertirse en estrellas de quarks antes de convertirse en agujeros negros. Hay un término " quark nova " para tal evento hipotético.

Sí, existen límites absolutos (con cierta incertidumbre teórica) para la masa de una estrella progenitora que puede convertirse en una estrella de neutrones o un agujero negro y el Sol está muy por debajo de ese límite.

Las otras respuestas aquí hablan sobre el rango de masas de las estrellas de neutrones, pero no responden directamente a la pregunta que plantea: la respuesta surge de las consideraciones de lo que sucede en el núcleo de una estrella durante el curso de su evolución.

En una estrella de masa similar al Sol, la quema de hidrógeno en el núcleo produce una ceniza de helio. Después de unos 10 mil millones de años, el núcleo se extingue y el hidrógeno que se quema en una capa da como resultado la producción de una gigante roja. La rama gigante roja se termina con el inicio de la quema de helio central, dejando una ceniza central de carbono y oxígeno a través del proceso triple alfa . Después de que el núcleo se extingue nuevamente, hay un ciclo complicado de hidrógeno y helio que se queman en las capas alrededor del núcleo. Durante esta fase, la estrella se hincha enormemente para convertirse en una estrella de rama gigante roja asintótica (AGB). Las estrellas AGB son inestables a las pulsaciones térmicas y pierden una gran fracción de sus envolturas a través de un viento masivo. Se espera que el Sol pierda aproximadamente$0.4-0.5M_{\odot}$en este momento.

Ahora llegamos al quid de la respuesta. Lo que queda es un núcleo de carbono y oxígeno, con quizás una fina capa de hidrógeno/helio encima. Sin reacciones nucleares, este núcleo se contrae tanto como puede y se enfría. En una estrella gobernada por una presión de gas "normal", este proceso continuaría hasta que el centro estuviera lo suficientemente caliente como para encender la quema de carbono y oxígeno (se necesita una temperatura más alta para superar la mayor repulsión de Coulomb entre núcleos más ricos en protones). Sin embargo, los núcleos de estrellas progenitoras con masas$<8M_{\odot}$son tan densos que la presión de degeneración de electrones se hace cargo. Los electrones en el gas se comprimen tanto que el principio de exclusión de Pauli da como resultado que todos los estados de baja energía se llenen por completo, dejando muchos electrones con energías y momentos muy altos. Es este impulso el que proporciona la presión que sostiene a la estrella. Fundamentalmente, esta presión es independiente de la temperatura . Esto significa que el núcleo puede continuar enfriándose sin contraerse más . Como resultado, no se calienta más en el centro y la fusión nunca se reinicia. El destino final de estrellas como el Sol, y cualquier cosa con una secuencia principal de masa de$<8M_{\odot}$es ser una enana blanca enfriándose. la figura de$8M_{\odot}$es incierto por aproximadamente$\pm 1M_{\odot}$, porque los detalles de la pérdida de masa durante la fase AGB no están completamente resueltos teóricamente y es difícil estimar empíricamente las masas progenitoras de las enanas blancas.

Las estrellas más masivas que esta tienen núcleos que se contraen lo suficiente como para comenzar etapas posteriores de fusión, lo que da como resultado la producción de un núcleo de hierro/níquel. La fusión no puede producir más energía a partir de estos núcleos, que se encuentran en el pico de la curva de energía de enlace por nucleón y, por lo tanto, la estrella finalmente colapsará y tendrá una masa central mayor que la que puede soportar la presión de degeneración de electrones. Es este núcleo colapsado el que forma una estrella de neutrones o un agujero negro.

Una advertencia interesante a mi respuesta es que puede haber una ruta evolutiva para que una estrella como el Sol se convierta en una estrella de neutrones si estuviera en un sistema binario. La acumulación de una compañera podría aumentar la masa de la estrella enana blanca, empujándola por encima de la masa de Chandrasekhar, la masa máxima que puede soportar la presión de degeneración de electrones. Aunque en principio esto podría formar una estrella de neutrones, se considera que un escenario más probable es que toda la estrella detone como una Supernova Tipo Ia, sin dejar nada atrás.

Aquí hay dos preguntas, a saber, sobre los límites de las masas de las estrellas de neutrones y sobre la posibilidad de que nuestro sol se convierta en uno. Intentaré argumentar que son preguntas diferentes, a saber. el primero sobre la estabilidad y el segundo sobre la formación de tales objetos.

1) La referencia de DavePhD en los comentarios ( aquí , para completar) responde por completo. Hay mucho espacio para las masas de estrellas de neutrones, porque depende intrínsecamente de la ecuación de estado de la materia nuclear (y posiblemente subnuclear). Dado que no conocemos la ecuación de estado correcta, es difícil dar límites estrictos. Sin una ecuación de estado, uno podría tener una masa tan grande como se desee, simplemente aumentando el radio. Entonces, cualitativamente, lo mejor que se puede hacer depende de la interacción entre la masa y el radio, o la densidad, si se quiere.

El límite más estricto proviene del radio de Schwarzschild, es decir, si haces una estrella demasiado densa, generaría un horizonte de eventos y colapsaría en un agujero negro. Junto a esto, se observa que la velocidad del sonido aumenta con la densidad, por lo que si intentas hacer una estrella demasiado densa, tendrá una velocidad del sonido mayor que la velocidad de la luz, violando la causalidad. Esto da una limitación en las diferentes ecuaciones de estado posibles. Los límites superiores de alrededor de 3,5 masas solares provienen de esta consideración. Encontrará todo esto más profundamente discutido en el documento mencionado anteriormente. El resumen se encuentra en la Figura 3, página 51. Ignoro por completo un argumento análogo para los límites inferiores de las masas que usan solo algunos principios físicos (a pesar de mi primera, incorrecta,

2) Independientemente de la discusión anterior, podemos estar bastante seguros de que el sol nunca se convertirá en una estrella de neutrones, sin importar qué ecuación de estado sea correcta. Esto se debe a que el colapso gravitacional de una estrella es un proceso altamente no lineal, que además de los diferentes ciclos de fusión nuclear, generará ondas de choque. Por lo tanto, no procederá adiabáticamente, por el contrario, este proceso arrojará la mayor parte de la masa de una estrella. Por lo tanto, para producir una estrella de neutrones necesitamos comenzar con una muy pesada, típicamente del orden de decenas de masas solares. Esta es la razón por la que atribuimos la formación de estrellas de neutrones a los eventos de supernova.

La existencia de agujeros negros se predijo resolviendo las ecuaciones de la relatividad general de Einstein. Matemáticamente, las ecuaciones muestran que es posible tener una singularidad en el centro de un agujero negro. El significado de esta singularidad es que la masa de un agujero negro está confinada a un punto infinitamente pequeño en su centro, por lo que la densidad en este punto es infinita. El principal problema con esta conclusión es que, en la singularidad, las leyes de la física no funcionan. Esto es lo que convierte al agujero negro en un misterio y da lugar a teorías alucinantes como que los agujeros negros son portales a otros Universos, o que es posible viajar en el tiempo.

Afirmo que aunque esta solución es matemáticamente posible, no tiene un significado físico. (Nota: el mismo argumento también fue expresado por... Einstein). Postulo que debe haber un límite a la densidad máxima de cuerpos en el Universo. La teoría que prevalece actualmente es la siguiente: se crea un agujero negro cuando una estrella consume su combustible y luego colapsa gravitacionalmente. El final de este proceso depende de la masa de la estrella. Si la masa de la estrella es de 1,39 masas solares (designado como límite de Chandrasekar), la gravedad es lo suficientemente fuerte como para combinar protones y electrones para formar neutrones y así crear una estrella de neutrones. Los neutrones y los protones residuales están empaquetados en la estrella de neutrones en su máxima densidad. Si la masa de la estrella está entre 1. De 5 a 3 masas solares, la gravedad se vuelve lo suficientemente fuerte como para romper los nucleones en sus constituyentes (quarks y gluones) y luego la estrella se convierte en un agujero negro que tiene un punto de singularidad en su centro con una densidad infinita. Parcialmente, estoy de acuerdo con la teoría actual. Específicamente: 1) El origen de una estrella de neutrones y un agujero negro es el colapso gravitatorio de una estrella. 2) La masa final de la estrella de neutrones o del agujero negro se relaciona con la masa inicial de la estrella. Se han observado estrellas de neutrones en el Universo. La estrella de neutrones contiene nucleones (neutrones y protones) que están empaquetados hasta la máxima densidad posible en el Universo. La densidad de una estrella de neutrones es de 3,7x10^17 a 5,9x10^17 kg/m^3, que es comparable a la densidad aproximada de un núcleo atómico de 3x10^17 kg/m^3.https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_star

En cuanto al agujero negro: afirmo que el mecanismo que crea una estrella de neutrones también es aplicable a un agujero negro. Quiero decir que la creación de un agujero negro no se logra comprimiendo aún más su masa, rompiendo así los nucleones en sus constituyentes fundamentales, como postula la teoría actual, sino agregando nucleones al núcleo para obtener la máxima densidad. Hay dos razones para mi reclamo. El primero es teórico, el principio de exclusión de Pauli. El principio de exclusión prohíbe que dos partículas de fermión idénticas ocupen el mismo lugar al mismo tiempo. Si el tamaño del agujero negro se vuelve infinitamente pequeño, entonces los nucleones deben superponerse entre sí, contrariamente al principio de exclusión de Pauli.

La segunda razón es experimental. Observo dos experimentos conocidos. El primer experimento mide la fuerza entre nucleones en función de la distancia entre ellos. En pruebas realizadas en colisionadores de partículas, se encontró que la fuerza entre dos nucleones es como se describe en https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_force . En este gráfico, la fuerza (en Newtons) se representa frente al rango: la distancia entre dos nucleones (fm). El gráfico muestra que para un rango inferior a 0,8 fm, la fuerza se convierte en una gran fuerza de repulsión. La conclusión es que no se pueden comprimir dos nucleones en el mismo espacio.
El segundo experimento fue realizado recientemente por físicos nucleares en Jefferson Lab. Midieron la distribución de la presión dentro del protón. Los hallazgos muestran que los componentes básicos del protón, los quarks, están sujetos a una presión de 100 decillion Pascal (10 ^ 35) cerca del centro de un protón, que es aproximadamente 10 veces mayor que la presión en el corazón de una estrella de neutrones. Esto significa que la presión dirigida hacia afuera desde el centro del protón es mayor que la presión dirigida hacia adentro cerca de la periferia del protón y, por lo tanto, una estrella de neutrones no puede colapsar. https://www.jlab.org/node/7928

La pregunta ahora es cómo es que los agujeros negros no se observan directamente, mientras que las estrellas de neutrones sí se observan. Mi respuesta es: la visibilidad depende de la relación entre el radio físico del núcleo y el radio de Schwarzschild. Si un cuerpo celeste tiene un radio de núcleo mayor que su radio de Schwarzschild, será observado. Por otro lado, si un cuerpo celeste tiene un radio de núcleo menor que su radio de Schwarzschild, estará oculto. Esto se ejemplifica en los siguientes cálculos:

El límite de masa entre una estrella de neutrones y un agujero negro.

Hay un límite para la masa de una estrella de neutrones. En este límite, si se le agrega más masa a la estrella de neutrones, se convertirá en un agujero negro. La masa límite se puede encontrar igualando el radio de Schwarzschild con el radio del núcleo de la estrella de neutrones.

Este resultado está en buen acuerdo con las observaciones. El agujero negro más pequeño observado en el Universo es XTE_J1650-500. Su masa se estima en ~ 5-10 masas solares.
https://en.wikipedia.org/wiki/XTE_J1650-500

Para resumir:

1) Un agujero negro es básicamente una estrella de neutrones. Como una estrella de neutrones (y también el núcleo de un átomo) se comprime a la máxima densidad posible en el Universo. 2) Un agujero negro debe tener una masa mayor que ~5,25 masas solares. Con esta masa, el radio físico del agujero negro es más pequeño que su radio de Schwarzschild. 3) Es posible que la temperatura del agujero negro sea más alta que la temperatura de una estrella de neutrones. Sin embargo, esta temperatura no puede ser medida por un observador fuera del radio de Schwarzschild. 4) Se puede demostrar que la gravedad de la estrella de neutrones y la gravedad del agujero negro de la Vía Láctea son de 2x10^12 m/seg^2 y 2,6x10^14 m/seg^2 respectivamente. 5) Las condiciones físicas de 3) y 4) muestran que un agujero negro no puede ser un portal a otros Universos.