¿Hay evidencia de que el gas alguna vez haya formado un agujero negro sin ser una estrella primero?

Aquí está mi comprensión general de cómo las partículas de gas forman un agujero negro:

1) La gravedad empuja las partículas de gas juntas.

2) Estas partículas rápidas crean calor (¿por la fricción debido a que se frotan entre sí?).

3) Este calor le da a las partículas enormes cantidades de energía para vencer las fuerzas nucleares de cada una, creando fusión (se crea una estrella).

4) Esta fusión contrarresta la gravedad empujando las partículas hacia adentro, creando un equilibrio.

5) Finalmente, el hidrógeno se acaba y la fusión se detiene.

6) La gravedad empuja las partículas más y más cerca, hasta que la masa colectiva es tan densa que forma un agujero negro.

Pregunta : ¿Ha habido evidencia de que la gravedad haga que las partículas de gas formen un agujero negro, sin convertirse primero en una estrella? Me parece que la "etapa de estrella" es solo una especie de período intermitente, y no ayuda a ayudar a que las partículas se conviertan en un agujero negro. Por supuesto, tal vez sea físicamente imposible que las partículas de gas no formen una estrella cuando se aprietan hasta tal punto, pero de eso se trata mi pregunta.

Se supone que una nube de gas interestelar de xenón suficientemente grande podría evitar convertirse en una estrella, ya que no se produciría la fusión. Pero, las grandes nubes de xenón no parecen ser comunes en nuestro universo.
Si su pregunta es sobre el gas que forma un agujero negro sin convertirse primero en una estrella, entonces, ¿cómo puede su explicación incluir un paso en el que se crea una estrella?
@D. Halsey Mi pregunta era si el proceso es posible sin ese paso.

Respuestas (2)

En primer lugar, no vamos a ver que este proceso ocurra en el universo actual, porque las nubes de gas con un enriquecimiento significativo de metales no pueden colapsar directamente en agujeros negros. La razón principal de esto es que el gas enriquecido con metales de generaciones anteriores de estrellas puede enfriarse de manera efectiva y esto conduce a la fragmentación de una nube de gas que colapsa.

La inestabilidad que conduce al colapso de una nube está gobernada por la masa de Jeans , la masa más pequeña que es probable que colapse, que escala como T 3 / 2 / ρ 1 / 2 , dónde T es la temperatura y ρ la densidad Si el gas puede enfriarse de manera efectiva a medida que colapsa, entonces la temperatura permanece más o menos constante, la masa de Jeans cae y la nube se rompe en núcleos más pequeños. Estos núcleos suelen acabar siendo de tamaño estelar.

La fragmentación cesa porque en algún punto del colapso, el gas se vuelve opaco a la radiación infrarroja y la nube alcanza un equilibrio hidrostático aproximado. La energía térmica que se pierde provoca la contracción y el centro de la protoestrella se calienta. El problema de la formación de agujeros negros es que no es posible que la nube que colapsa entre en su radio de Schwarzschild antes de que se encienda la fusión nuclear.

He hecho un cálculo aproximado aquí que muestra que el interior de la nube alcanzaría los 500 mil millones de K en el momento en que colapsara en un radio de Schwarzschild, por lo que simplemente no hay forma de que este colapso directo pueda ocurrir. Se produciría una fusión nuclear y la estrella tendría que pasar por su ciclo de vida antes de que se pueda reanudar cualquier colapso.

Sin embargo, en el universo primitivo , podría ser posible que una nube de gas colapsara directamente en un agujero negro masivo y esta puede ser la razón por la cual los cuásares pueden existir solo unos cientos de millones de años después del Big Bang.

El gas primordial hecho solo de átomos de hidrógeno y helio no puede enfriarse de manera muy eficiente, sin embargo, las moléculas de hidrógeno pueden irradiar de manera eficiente. La clave para dirigir el colapso a un agujero negro es evitar el enfriamiento y la fragmentación del gas. Esto se puede lograr si una fuente externa de radiación UV, proporcionada por las primeras estrellas, es capaz de disociar las moléculas de hidrógeno. Las nubes primordiales son entonces menos susceptibles a la fragmentación porque se calientan a medida que se vuelven más densas y la masa de Jeans no puede volverse pequeña. Estas nubes grandes no son tan densas como una nube de masa más pequeña a medida que se acercan a sus radios de Schwarzschild, por lo que no se vuelven opacas a la radiación que producen y pueden colapsar directamente en grandes agujeros negros ( 10 4 a 10 5 masas solares). Consulte este comunicado de prensa para obtener un resumen alternativo de esta idea y enlaces a artículos académicos recientes sobre el tema (p. ej., Agarawal et al. 2015 ; Regan et al. 2017 ; Smith, Bromm & Loeb 2017 ).

En términos de evidencia, no hay ninguna que sea directa. Algunos argumentarían que la presencia de agujeros negros supermasivos solo unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang significa que estos agujeros negros masivos "semillas" deben ser creados. Sin embargo, existen otras ideas además del colapso directo que aún podrían ser posibles (por ejemplo, fusiones de agujeros negros dentro de cúmulos), por lo que la respuesta a la pregunta en su título debe ser no en esta etapa.

Así que la UV puede producir un 10 4 − 10 5 s metro agujero negro. ¿Qué tal uno más grande? ¿Qué tiene de malo la idea obvia de que una nube de hidrógeno lo suficientemente grande puede estar dentro de su radio de Schwarzchild incluso sin colapsar (siempre y cuando no se expanda con el universo)? De acuerdo, esto es demasiado loco, pero a lo largo de esta línea, ¿no podría un 10 7 s metro nube forma un BH al colapsar sin calentarse lo suficiente como para detener el colapso? Si el BB era tan uniforme, ¿por qué esto no sería factible?
@safesphere Supongo que porque la masa de Jeans es 100 veces más pequeña que eso. Entonces cualquier nube que se derrumbe se fragmentaría.
Solo tratando de entender. El mecanismo de Jeans involucra una ruptura de simetría espontánea de la nube primordial en regiones colapsadas. Esto parece válido ya que la nube de hecho se ha derrumbado en estrellas. Sin embargo, este desglose viene con una probabilidad distinta de cero de que una región más grande se derrumbe sin fragmentación. Esta bien puede ser la causa de la formación de agujeros negros supermasivos, alrededor de los cuales se formaron las galaxias. Después de todo, ¿no es el propósito principal de la inflación crear falta de uniformidad en la nube, sin las cuales no colapsaría en estrellas? ¿Cuál es la falla en mi argumento?

¿Ha habido evidencia de que la gravedad haga que las partículas de gas formen un agujero negro, sin convertirse primero en una estrella?

"Chandrasekhar derivó una relación entre la masa de la estrella y su radio que establece un límite superior a la masa que puede tener una enana blanca, más allá del cual colapsará en una estrella de neutrones o, si es lo suficientemente masiva, en un agujero negro. (http: / /archive.ncsa.illinois.edu/Cyberia/NumRel/BlackHoleFormation.html )"

Así es como, tradicionalmente, se conceptualiza que los agujeros negros se forman a través de la evolución estelar. Creo que formar un agujero negro sin formar primero una estrella requeriría una enorme cantidad de masa o una pequeña cantidad de espacio. Dependiendo de las condiciones locales específicas, esto puede suceder con 1) formación de BH supermasivo o 2) en el universo primitivo (estos dos puntos están relacionados).

  1. En los centros de las galaxias existen BH supermasivos. Los BH supermasivos están en el orden de 10 6 masas solares. Así que si imaginamos tener 10 6 masas solares sentadas en un espacio vacío, pensaría que una estrella no se formaría ya que la escala de tiempo de reacción inversa es (probablemente) mucho menor que la escala de tiempo nuclear. Pero este simple experimento mental no es muy realista en términos de formación de estructuras físicas.
  2. ¿Cómo se forma la estructura en el universo? Prevalecen dos explicaciones principales: monolítica (de arriba hacia abajo) y jerárquica (de abajo hacia arriba). ( http://iopscience.iop.org/article/10.1086/305523/fulltext/ )

Monolítico fue la explicación original, pero hoy en día la formación jerárquica es más favorable (el monolítico aún no está completamente descartado). ( https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept05/Gawiser/Gawiser1.html ) "El modelo original de formación de galaxias fue Monolithic Collapse (Eggen et al. 1962), donde el colapso gravitatorio de una nube de gas primordial muy temprano en la vida del Universo formó todas las partes de cada galaxia al mismo tiempo. La evidencia moderna descarta este modelo en dos frentes: las edades muy variables de los diferentes componentes de la Galaxia proporcionan un contraejemplo, y la cosmología LambdaCDM predice formación de estructura "de abajo hacia arriba", es decir, jerárquica en lugar de "de arriba hacia abajo".

Para formación jerárquica: ( http://burro.cwru.edu/Academics/Astr222/Cosmo/Structure/hierarchical.html ) ( https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/question55.html )

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