¿Podrían los agujeros negros forjar elementos más pesados ​​que aún no se han descubierto?

Observaciones

  • Los elementos más pesados ​​que se conocen en abundancia en la naturaleza se forjan en las profundidades de las estrellas.

  • Estos elementos son posibles gracias a las altas densidades/presiones dentro de las estrellas.

  • Se sabe que los agujeros negros tienen una densidad/presión mucho más alta que cualquier estrella conocida.

  • También se sabe que los agujeros negros son una fase de la evolución estelar; esto sugiere que el proceso interno de forja de metales de la estrella original persistiría dentro del agujero negro resultante.

  • Los científicos han forjado metales pesados ​​sintéticos/efímeros en condiciones que hipotéticamente podrían mantenerse dentro de un agujero negro.

Hipótesis:

Los agujeros negros forjan elementos más pesados ​​que no se han observado en la Tierra. Las condiciones necesarias para sustentar estos elementos son exclusivas del agujero negro, debido a su alta densidad/presiones. Estas condiciones pueden vislumbrarse, pero no sustentarse en ningún contexto experimental.

Preguntas de seguimiento :

  • ¿Se ha planteado esto?

  • ¿Dónde puedo encontrar investigaciones sobre este tema?

Creo que probablemente quieras mirar las estrellas de neutrones, en lugar de los agujeros negros. El núcleo de una estrella de neutrones es (en términos muy generales) un núcleo de un elemento muy pesado. Como todos los elementos suficientemente pesados, normalmente volaría en pedazos en un momento, pero se mantiene unido por su propia gravedad y la masa de la corteza de la estrella de neutrones apilada encima. Conceptos como densidad, temperatura y presión tienen sentido para una estrella de neutrones, pero no realmente para un agujero negro. Le sugiero que lea en el domo (por ejemplo, en wikipedia) sobre estos temas y regrese con una pregunta más refinada.
Si lo hicieran, no lo sabríamos.
Si, como se sugiere en su respuesta, tiene en mente los agujeros negros primordiales, edite su pregunta para aclararlo. De lo contrario, la gente pierde el tiempo explicándote sobre la masa solar y los agujeros negros más pesados.
Me temo que ha caído en la trampa de "Todos los A son B, por lo tanto, si algunos A causan C, todos los A deben causar C", lo cual, por supuesto, no es cierto.
Carl: gracias por los comentarios, sin embargo, no está claro de inmediato qué son A y C en su analogía. Como consecuencia, no se puede determinar qué lo lleva a creer que se sugiere que "Todo A debe causar C".
@Ben Crowell Gracias por los comentarios, pero respetuosamente no estoy de acuerdo contigo. No creo que otros estarían perdiendo el tiempo. Más bien estarían contribuyendo a nuestra comprensión colectiva. Tenga en cuenta que esta fue mi primera pregunta publicada en el intercambio de Astronomy Stack. Esta pregunta tiene valor y ha provocado algunas conversaciones interesantes. Considere adoptar un enfoque más orientado a la comunidad. Esfuércese por alentar a los demás y manténgase en un estándar ético más alto.

Respuestas (3)

Los elementos más pesados ​​que se conocen en la naturaleza se forjan en las profundidades de las estrellas.

No, los elementos más pesados ​​se fabrican en la Tierra en laboratorios científicos o en la extrema gravedad de la corteza de una estrella de neutrones.

Estos elementos son posibles gracias a las altas densidades/temperaturas/presiones dentro de las estrellas.

Muchos de los elementos más grandes pueden formarse en supernovas y colisiones de estrellas de neutrones, no en estrellas. Se requieren condiciones extremas para que estos elementos se formen.

Se sabe que los agujeros negros tienen una densidad/temperatura/presión mucho más alta que cualquier estrella conocida.

Los agujeros negros son en realidad muy fríos, "absorben" cualquier radiación que pase por su horizonte de sucesos. Fuera del horizonte de sucesos puede haber algún material muy caliente, pero en realidad no es tan caliente en comparación con el núcleo de una estrella.

También se sabe que los agujeros negros son una fase de la evolución estelar; esto sugiere que el proceso interno de forja de metales de la estrella original persistiría dentro del agujero negro resultante.

No, dentro del agujero negro todo cae y alcanza una singularidad en poco tiempo.

Los científicos han forjado metales pesados ​​sintéticos/efímeros en condiciones que hipotéticamente podrían mantenerse dentro de un agujero negro.

Como arriba, las condiciones más allá del horizonte de eventos son diferentes a todo lo que tenemos en la Tierra, porque existe la singularidad inevitable.

Después de que alguna materia haya cruzado el horizonte de eventos, ciertamente llegará a la singularidad. (de la misma manera que seguramente llegarás mañana) Y a medida que se acerca, los efectos de las mareas se hacen más grandes, y eventualmente separan los átomos. La gravedad extrema en un agujero negro tenderá a separar la materia sin fusionarla en átomos más grandes.

Puede haber nucleosíntesis en el disco de acreción alrededor de un agujero negro. Si bien la cantidad de átomos de alta masa que se producen aquí es relativamente pequeña, puede ser útil para detectar y distinguir los agujeros negros de las estrellas de neutrones o las enanas blancas.

También puede valer la pena señalar que no sabemos qué sucede en una singularidad porque todos están dentro de agujeros negros que no podemos ver. (Podemos predecir, pero nuestras predicciones se basan en modelos que no fueron diseñados con datos de singularidades)
Casi una respuesta completa ;-) pero vale la pena comentar sobre la premisa del OP de que "Se sabe que los agujeros negros tienen una densidad/presión mucho más alta que cualquier estrella conocida". Un BH supermasivo puede tener una densidad más baja que el agua.
Nunca entendí la idea de que las estrellas solo pueden formar átomos hasta hierro. ¿No debería haber alguna posibilidad de producir también átomos de mayor peso? Incertidumbre cuántica y termodinámica y todo eso...
@Mehrdad Pero por qué... Ciertamente PUEDE suceder, pero no durará. El hielo no aparece espontáneamente en una tetera hirviendo, incluso si PUEDE. El hierro es el elemento donde no obtienes energía de la fusión ni de la fisión. Es el destino final de cualquier equilibrio nucleosintético. Solo en procesos de no equilibrio encontrará elementos más pesados ​​que el hierro (es decir, explosiones violentas, o chorros de partículas diseñados específicamente...)
@StianYttervik: Esto no es como hielo en una tetera hirviendo, ¿verdad? Me imagino que seguramente habrá algunos átomos moviéndose lo suficientemente rápido como para fusionarse en algo más pesado que el hierro. Y una vez que eso sucede, el resultado no necesariamente tiene que decaer más, por lo que durará. ¿Me estoy perdiendo de algo?
@mehrdad si los átomos se movían lo suficientemente rápido como para fusionarse, el átomo resultante también se mueve lo suficientemente rápido como para fisionarse. No es que "moverse lo suficientemente rápido" sea la descripción adecuada, pero usar sus palabras para comprender
@Stian: No puedo decir que entiendo tu lógica. ¿Parece que ignoras por completo las estadísticas? El hecho de que dos átomos ocasionalmente se muevan lo suficientemente rápido como para dar eso no significa que haya un 100% de posibilidades de que un tercer átomo rompa el producto nuevamente.
@Mehrdad eso es porque no es cierto. física.stackexchange.com/questions/7131/…
@StianYttervik Los elementos más pesados ​​​​que el hierro se forman dentro de las estrellas (conocidos desde la década de 1950 ). La razón por la que no se forman por fusión es que a las temperaturas requeridas para atravesar la barrera de Coulomb también son vulnerables a la fotodesintegración. No fisión.
@Robjeffries buen punto. Hay procesos que están en equilibrio, se necesitan condiciones irreversibles para progresar más allá del hierro. ¿Mejor?
@StianYttervik necesita leer sobre el proceso s. No hay problema para unir neutrones a los núcleos.
Tal vez deberíamos decir, "y sus partículas constituyentes llegarán mañana".

Los elementos superpesados ​​tienen vidas medias cortas debido a su extrema inestabilidad con respecto a la descomposición alfa y la fisión. Esto es el resultado de su alta carga eléctrica, lo que resulta en fuertes fuerzas de repulsión eléctrica. Aunque los teóricos han predicho una "isla de estabilidad" debido a los efectos de capa de la mecánica cuántica, esta estabilidad es algo relativo. Todavía estamos hablando de vidas medias del orden de segundos o menos. Por lo tanto, cualquier elemento creado por procesos astrofísicos no sobrevivirá por mucho tiempo, incluso si no cae en el agujero negro.

Así que es posible que en el disco de acreción, fuera del horizonte de eventos, se produzcan algunos eventos de fusión que den como resultado la formación de elementos superpesados, pero esos elementos no sobrevivirían por mucho tiempo, incluso si de alguna manera fueran expulsados ​​en lugar de caer más allá del horizonte. Y los métodos normales para detectar y caracterizar elementos superpesados ​​no funcionarían aquí. Normalmente buscamos cosas como cadenas de descomposición alfa con energías alfa características. Esos no serían detectables desde fuera del disco de acreción, ya que las partículas cargadas interactúan fuertemente con la materia y se detienen.

Las condiciones necesarias para sustentar estos elementos son exclusivas del agujero negro, debido a su alta densidad/presiones.

La mayor parte del interior de un agujero negro (dentro del horizonte de eventos) es probablemente un vacío extremadamente bueno. Las únicas densidades y presiones altas estarían cerca de la singularidad. Por lo tanto, cualquier materia exótica formada a altas densidades y presiones no sería observable desde la Tierra ni tendría consecuencias para el universo exterior, porque nada puede escapar desde el interior del horizonte de sucesos.

Si enviáramos una sonda espacial dentro de un agujero negro para buscar materia exótica que se esté formando cerca de la singularidad, la sonda no podría informar sus resultados. Además, la región de materia de alta densidad y alta presión existiría cerca de la singularidad, que probablemente no sería detectable para la sonda hasta que la sonda misma hubiera sido destruida por los mismos procesos. (En el interior de un agujero negro, si la relatividad general es correcta, no puedes ver la singularidad. Solo ves los fotones que caen desde el exterior).

Si la materia exótica se forma cerca de la singularidad, solo existirá por un tiempo muy corto antes de acumularse en la singularidad. (IIRC, el tiempo máximo de caída para un agujero negro de 10 masas solares es del orden de milisegundos desde el horizonte hasta la singularidad). Realmente no sabemos qué sucede en la singularidad, pero ciertamente no podemos tener núcleos atómicos debajo de esos condiciones.

milisegundos desde qué marco de referencia?
@Michael: Milisegundos de tiempo propio, es decir, el tiempo en un reloj que cae a lo largo de esta trayectoria. El tiempo adecuado para la caída libre desde el horizonte hasta la singularidad de un agujero negro de Schwarzschild es igual al radio de Schwarzschild sobre C , multiplicado por una constante sin unidad de orden unidad. (El valor exacto de la constante sin unidades depende del estado de movimiento al pasar por el horizonte de sucesos. Partir del reposo en el horizonte solo es posible en el sentido de un límite).

El problema de los elementos superpesados ​​no es que no podamos forjarlos. Su problema es que se descomponen muy rápido. Por ejemplo, Oganesson , el elemento más pesado sintetizado hasta ahora, tiene una vida media de 181 ms.

En teoría, incluso se podrían crear elementos mucho más pesados ​​en los aceleradores de partículas, pero no hay forma de detectarlos.

En las estrellas de neutrones, o en las supernovas en explosión, se crean todos los elementos, pero no hay forma de detectarlos. Podemos considerar una estrella de neutrones como un gran núcleo con ≈ 10 56 neutrones. 1

En los agujeros negros, el hecho es que nadie sabe qué hay en ellos. No irradian nada (con muy poca excepción ), y nada deja en ellos la singularidad. Para comprender lo que hay en ellos, se requerirían avances actualmente poco realistas en física. Sin embargo, la singularidad en su centro probablemente no sea materia bariónica , por lo que difícilmente podríamos decir que sería algún elemento químico.

1 Como dice el excelente comentario de @PM2Ring , las estrellas de neutrones también tienen una cantidad significativa de otras partículas, no solo neutrones. También extiendo que están unidos gravitacionalmente y no por la interacción fuerte, lo que los hace en este aspecto esencialmente diferentes de los núcleos.

Gracias por su perspectiva, hay un pequeño error de interpretación que debería aclarar mejor. No sugerí que tuviéramos un problema en forjar los metales más pesados. Formulé la hipótesis de que los agujeros negros forjan elementos más pesados, que aún no se han observado. También sugerí que los procesos internos del agujero negro podrían estar mejor informados por los de su estrella anterior, es decir, el proceso de forja de metales pesados. Luego pregunté si esto ya se había formulado como hipótesis y si había referencias a cualquier investigación existente.
@efreezy Ok, pero 1) nadie sabe qué hace la singularidad de los BH. Las teorías actuales estiman en ellas algo de "jabón de hilo", con 10 19 mayores energías que un solo protón. Lo más probable es que no haya nada en ellos que cree materia bariónica. 2) Los BH son principalmente entidades estáticas, al menos viéndolos fuera del horizonte de eventos. No sintetizan nada, ni elementos pesados, nada. La colisión de agujeros negros genera ondas gravitacionales, y existe una teoría casi aceptada de que también generan una cantidad insignificante de radiación de halcón (del orden de 10 − 40 Vatio).
@efreezy Bueno, y la materia que cae en el disco de acreción genera también muchos fotones, principalmente rayos gamma, en ellos puede ocurrir alguna síntesis de elementos pesados, es cierto, pero los núcleos pesados ​​creados son muy pocos y se descomponen muy rápidamente, sólo en los aceleradores de partículas de la Tierra.
@efreezy Si está buscando la mayor cantidad de productores de elementos pesados ​​​​del Universo, puede encontrar binarios cercanos de enanas blancas y gigantes rojas. Allí, la WD succiona la atmósfera exterior de la gigante roja y, por encima de un límite, se convierte en una supernova y colapsa en una estrella de neutrones o un agujero negro. En esta explosión de supernova, una gran cantidad de materia neutrónica libre podría ser expulsada del núcleo estelar, que se descompone muy rápidamente en un jabón de todos los elementos del sistema periódico. Pero esta eyección y luego la descomposición ocurre tan rápido que lo que podemos ver en los telescopios, solo una firma clara de
@efreezy la descomposición de gran masa de elementos pesados ​​fuertemente radiactivos, incrustados en el espectro habitual de una explosión de supernova. Una comparación: en una explosión de supernova, la mayor parte del colapso del núcleo ocurre en segundos. Oganesson se desintegra en 0,2 segundos.
Gracias Peter por investigar esto y ofrecer esas adiciones conceptuales. He resumido el resultado de mi pregunta y sus comentarios en una respuesta concisa en la sección de respuestas a continuación.
Creo que te refieres a "sopa", no a "jabón". FWIW, una estrella de neutrones no son neutrones puros. Se supone que tienen una estructura en capas, con una corteza exterior que consta de átomos pesados ​​​​relativamente normales que se transforman en una mezcla de tales nucleones y neutronio, neutronio puro y posiblemente alguna materia exótica de quarks en el núcleo. Sin embargo, incluso el neutronio puro no está compuesto únicamente de neutrones. Es una sustancia dinámica que también contiene algunos protones (y electrones) con una concentración de protones que oscila entre el 10 % y el 1 %, dependiendo de la presión.
@PM2Ring Gracias por las correcciones gramaticales, desafortunadamente ya no puedo editar mis comentarios. :-( Gracias también a las importantes extensiones.
Prácticamente todas las oraciones de esta respuesta contienen errores. El problema de los elementos superpesados ​​no es que no podamos forjarlos. Su problema es que se descomponen muy rápido. No, el problema es que no podemos falsificarlos. Carecemos de combinaciones apropiadas de haz-objetivo, y las secciones transversales son extremadamente pequeñas. Por ejemplo, Oganesson, el elemento más pesado sintetizado hasta ahora, tiene una vida media de 181 ms. Este sería algún isótopo de ese elemento. La vida media es una propiedad del isótopo, no del elemento.
En teoría, incluso se podrían crear elementos mucho más pesados ​​en los aceleradores de partículas, pero no hay forma de detectarlos. No es verdad. Los elementos superpesados ​​suelen ser extremadamente fáciles de detectar una vez formados. Por lo general, se permite que los núcleos en retroceso salgan volando del objetivo hacia un detector, que detecta las desintegraciones alfa. En los agujeros negros, el hecho es que nadie sabe qué hay en ellos. Supongo que esto depende de lo que quieras decir con "saber". Ciertamente tenemos teorías que pueden predecir esto. Sin embargo, la región dentro del horizonte de sucesos está causalmente desconectada del universo exterior.
nada deja en ellos la singularidad. Lo que es más relevante es que nada sale más allá del horizonte de sucesos. La singularidad en su centro probablemente no sea de materia bariónica, dura, por lo que difícilmente podríamos decir que se trataría de algún elemento químico. No, se espera que la singularidad tenga casi toda su masa procedente de materia bariónica.
@BenCrowell Prácticamente cada oración en esta publicación es una simplificación, porque la declaración de la pregunta ha dejado en claro que el OP quiere una respuesta a su pregunta, y no un libro escrito por mí en el acto. Prácticamente todas las oraciones de su crítica son verdaderas de hecho y falsas al interpretar estas simplificaciones no esenciales como errores esenciales. Sí, todo lo que dice es verdad, y todo lo que dice tiene una parte no esencial en la respuesta. Si cree que sí, el OP necesita un ensayo largo, que explique todo en su nivel aparente de conocimiento, entonces le sugiero que escriba ese ensayo largo y publique
@BenCrowell Bueno, esa es una interpretación errónea esencial de su parte: "No, se espera que la singularidad tenga casi toda su masa originada en materia bariónica". <- La pregunta no es sobre qué se origina la materia de la singularidad, la pregunta es sobre que "forja elementos pesados" (formulación por el OP).
Usted dice en su comentario "WD succiona la atmósfera exterior de la gigante roja y, por encima de un límite, se convierte en una supernova y colapsa en una estrella de neutrones o un agujero negro". Esto es inexacto: el tipo Ia SNE no crea tales remanentes; la explosión interrumpe completamente la estrella.
¿Podrían los agujeros negros forjar elementos más pesados ​​que aún no se han descubierto?
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