¿Puede el Sol contener materia degenerada?

Se supone que la materia degenerada (neutronio) es muy densa y, en cierta cantidad, inestable, en el sentido de colapsar sobre sí misma y provocar la fusión. El resultado sería una detonación de fusión masiva. Tal detonación podría hacer que el Sol pierda su fotosfera y cocine el Sistema Solar interior con una ola de radiación. Este evento se describe agradablemente en el libro de Robert Sawyer, "La alternativa de Oppenheimer". Sin embargo, el descubrimiento del núcleo de neutrones se realiza mediante la identificación de un aumento transitorio en los productos del ciclo de fusión CNO que, según la hipótesis, requiere 20 millones de Kelvin, mientras que la temperatura del núcleo del Sol es "solo" de 15 millones de Kelvin. Estos productos de fusión se detectan mediante espectroscopia solar.

¿Puede existir tal núcleo de neutrones? Si existió , ¿cómo podrían identificarse los subproductos del ciclo CNO antes de la explosión real? Quiero decir, si el neutronio degenera, se fusiona y eleva la temperatura del Sol para permitir la fusión de CNO, entonces la explosión no ocurrirá antes de que cualquiera de los fotones de la explosión tenga tiempo de calentar el Sol lo suficiente como para hacer que los productos de CNO sean detectables. en los espectros?

EDITAR: Afortunadamente, hay muchas personas aquí que son más inteligentes que yo y aún tienen la amabilidad de mostrarlo muy bien. Trataré de aclarar los hechos de la novela sin spoilers (Al igual que describir los fenómenos de Red Matter en Star Trek (2009) sin spoilers)

  1. Edward Teller presenta tres espectros del sol tomados en 1929,1938 y 1945 en un coloquio en Los Álamos
  2. Fermi comenta que el segundo espectro no es de nuestro sol sino de una estrella de clase F debido a las fuertes líneas de absorción de carbono.
  3. Teller infiere que algo le sucedió a nuestro sol alrededor de 1938 para calentarlo un poco y desencadenar la fusión CNO
  4. Oppenheimer relaciona los datos meteorológicos de von Neumann de que la Tierra fue estadísticamente más cálida durante ese 'período'. Continúa diciendo que el problema no está en las placas del espectrógrafo de Bethe ni en los cálculos hechos por Teller. Más bien, Oppenheimer dice que el sol está teniendo un 'problema'
  5. Oppenheimer recuerda publicaciones de Zwicky y Landau que plantearon la hipótesis de un núcleo de neutrones para nuestro sol.
  6. Oppenheimer recuerda un artículo que escribió con Robert Serber que refutó el trabajo de Landau con cálculos de que un núcleo de neutrones de más de 0,1 masas solares sería inestable.
  7. La inestabilidad del núcleo de neutrones se manifestaría como un sol más caliente
  8. Oppenheimer comienza a decir que tal inestabilidad es transitoria y Teller lo interrumpe para espetar que el inestable neutronio sería expulsado del sol.
  9. Teller continúa diciendo que una implosión formaría un núcleo de neutrones, luego lo compara con el proceso que ocurre en la bomba atómica, FatMan, donde se usa una matriz explosiva para implosionar un núcleo de plutonio. El resultado inevitable que afirma es una explosión (no está claro si se refiere a la fisión o tal vez a su propio demonio, la fusión)
  10. Hans Bethe luego calcula que, basándose en el tamaño esperado de un núcleo de neutrones, el tamaño conocido del sol y la opacidad del sol, la materia degenerada que explota hacia el exterior golpearía la fotosfera en 90 años.

En este punto, dejaré que las otras personas realmente conocedoras comenten sobre estos puntos y su veracidad. Sin embargo, todavía me atormenta la idea de que un pequeño objeto realmente pesado (agujero negro microscópico, enana blanca, etc.) podría ser capturado por nuestro sol y luego precipitar la inestabilidad.

Hay dos tipos de materia degenerada (al menos). Materia sustentada por la degeneración de electrones que constituye la mayor parte de la masa de las estrellas enanas blancas, y neutronio, sustentada por la degeneración de neutrones que constituye una gran parte de la masa de las estrellas de neutrones. Estoy bastante seguro de que ninguno de los dos se encuentra en el sol en la actualidad, pero en cualquier caso, ¿podría aclarar en su pregunta a qué se refiere?
"La alternativa de Oppenheimer", Un nuevo thriller de ciencia ficción para morderse las uñas...
neutronio. gracias por arreglarlo
aparentemente, el ciclo cno ocurre en el sol. en.wikipedia.org/wiki/CNO_cycle La premisa de la novela es que la materia degenerada provoca un aumento de temperatura (a través de la fusión de neutronio) para acelerar el ciclo cno. Mi pregunta es si CUALQUIER evento que acelere el ciclo cno podría detectarse antes de que ocurra la inevitable eyección de masa coronal.
¿El libro menciona cómo una bola de neutronio está dentro del Sol? ¿Simplemente se cayó o se suponía que se formaría allí?
Por cierto, el neutronio puro es imposible, siempre contiene algún porcentaje de protones y electrones. Y las estrellas de neutrones reales tienen una corteza que consta de núcleos (relativamente) normales y electrones degenerados. Hay información sobre la estabilidad del neutronio en physics.stackexchange.com/a/105475/123208 e información sobre la estructura de la estrella de neutrones en physics.stackexchange.com/a/275716/123208
El ciclo CNO no produce neutrones. El neutronio no colapsa a menos que tenga más de 2 masas solares. El colapso no provoca la fusión; desaparece en un agujero negro. Nada de este escenario tiene sentido.
@RobJeffries Gracias por sus numerosas contribuciones en este sitio. Sus declaraciones son claras y útiles. Edité la pregunta original para que tal vez sea menos irritante para usted y para todos los demás aquí que REALMENTE conocen los hechos. Me disculpo por masacrar los hechos en mi pregunta original.
@aquagremlin Está leyendo mucho en mi declaración de tres hechos y una conclusión. Así que para ser claro; la hipótesis ahora es que hay un objeto compacto (inexplicado) en el núcleo del Sol, que hace que el núcleo se caliente más y que la clave de esto es el exceso de carbono que se ve en la fotosfera.
@RobJeffries sí. Y si pudiera explicar '¿cómo podemos ver un cambio espectral causado por un evento severo en el núcleo del sol antes de que veamos el evento cataclísmico en sí mismo?'
Todavía estoy considerando su respuesta aquí astronomy.stackexchange.com/questions/15043/… Y estoy desconcertado sobre el uso de la palabra 'presión de degeneración'. ¿Por qué molestarse en usar esa palabra? Cuando intentamos encender la fusión en un tokomak, ¿hablamos de comprimir el plasma para que alcance cierta temperatura? El plasma en su conjunto es eléctricamente neutro ya que está compuesto por todas las especies de partículas. ¿La presión de degeneración se refiere a la repulsión de partículas de las fuerzas electromagnéticas?
Podrías disfrutar de "Dragon's Egg", una novela sobre el desarrollo de la vida en una estrella de neutrones (Rob't Forward)

Respuestas (2)

La respuesta a si una estrella normal puede contener un núcleo de neutrones degenerados es un sí. Thorne & Zytkow 1977 produjeron modelos numéricos donde una estrella de neutrones se incrusta en el centro de una estrella gigante o supergigante masiva, rodeada por una gran envoltura gaseosa. En este escenario, la principal fuente de energía no se convierte en la fusión nuclear, sino en la contracción gravitacional de la materia que fluye desde la envoltura interna hacia el núcleo externo. Los ratios de producción de energía son

L núcleo / L ≈ 0.04 , L gravedad / L = 0,96
para estrellas con METRO nene ≤ 10 METRO ⊙ , como por encima de esto, se forman envolventes convectivas. Los modelos, independientemente de la masa, predicen cierto grado de combustión de la capa, con capas de combustión de hidrógeno, helio y carbono fuera del núcleo. En las regiones interiores, las temperaturas son órdenes de magnitud más altas que las requeridas para el ciclo CNO, que en realidad se establece en alrededor de 15 millones de Kelvin (no 20 millones K) y domina la cadena pp en alrededor de 17 millones K.

Thorne & Zytkow encontraron que para METRO nene < 2 METRO ⊙ , las envolturas eran inestables frente a las pulsaciones adiabáticas radiales, lo que implica que probablemente no sea posible extender el análisis al caso del Sol: con esa masa, el objeto es bastante vulnerable a las inestabilidades. Dicho esto, estoy bastante seguro de que podríamos decir si hubo un objeto degenerado en el núcleo solar; a diferencia del caso de la gigante roja o la supergigante, no hay una gran envoltura que la oculte, y la masa de la estrella de neutrones sería al menos comparable o (mucho más probable) que superaría la masa del propio Sol.

Algunos puntos sobre la estabilidad de la materia degenerada de neutrones: El problema es en realidad con pequeñas cantidades, no con grandes cantidades. Las cantidades pequeñas son incapaces de quedar ligadas por su propia gravedad; las presiones involucradas son simplemente demasiado altas, y el núcleo solar no tiene una presión lo suficientemente alta como para mantener la estabilidad. Con optimismo, necesitarías algún lugar en el 0.1 METRO ⊙ - 0.2 METRO ⊙ rango mínimo para la estabilidad , aunque me sorprendería si una masa de materia degenerada tan baja se produjera naturalmente: una estrella de neutrones de una masa más típica probablemente tendría que perder masa de alguna manera.

Dado que las estrellas de neutrones típicas exceden la masa del Sol, ¡una estrella de neutrones incrustada en el Sol debería ser bastante notable!
@antispinwards Supongo que soy culpable de la subestimación del año, sí.
@ HDE 226868 Gracias y marqué tu respuesta. Pero una cucharadita de neutronio solo pesaría 5 toneladas. ¿Cuánto neutronio se necesita antes de que se vuelva inestable? ¿Se notaría una cantidad tan pequeña?
@aquagremlin Es al revés: pequeñas cantidades de neutronio son inestables, se necesita un poco más que una masa solar antes de que su propia gravedad suministre suficiente presión para mantenerlo estable. ¡También una cucharadita llena de neutronio pesa alrededor de 500 millones de toneladas!
5 toneladas/cucharadita es la densidad de una enana blanca, el otro tipo de materia degenerada
@aquagremlin Una "cucharadita de neutronio" sería increíblemente inestable debido a su presión increíblemente alta. Es solo la increíblemente fuerte autogravedad de una estrella de neutrones completa lo que evita que la presión interna dentro del neutronio explote todo.
Eh, está bien, en su mayoría dupliqué la respuesta de Steve Linton.
Una vez que sea tan compacto, una masa de alrededor de 0,1 masas solares de neutronio probablemente sería estable. La parte difícil es llegar allí.
@userLTK Como explica la respuesta vinculada, la baja masa de 0.1-0.2 METRO ⊙ proviene de un modelo "Harrison-Wheeler" de temperatura cero, es decir, es para neutronio frío con una temperatura cercana al cero absoluto. El valor de masa mínimo habitual de 1,2 METRO ⊙ es para una estrella de neutrones formada en una explosión de supernova, con una temperatura en el rango de mil millones de K o más. Una bola de neutronio estable a la temperatura del núcleo solar relativamente fría podría ser más pequeña que 1,2 METRO ⊙ pero definitivamente sería mayor que la masa predicha por el modelo de Harrison-Wheeler.
@ PM2Ring No entiendes lo que significa "frío". Las estrellas de neutrones de 0,1-0,2 masas solares no se pueden producir durante la evolución estelar. Nada que ver con la temperatura.
@RobJeffries Entiendo que la masa mínima de estrella de neutrones que se puede producir en una supernova es de alrededor de 1,2 METRO ⊙ . ¿ Qué significa "frío" en este contexto? Me doy cuenta de que cuando calientas la materia degenerada, no trata de expandirse como lo hace la materia normal.
@ProfRob Haensel et al. muestra que las estrellas de neutrones frías de menos de 0,17 masas solares solo son metaestables: se descomponen en polvo de hierro y finalmente se convierten en una enana blanca. Sin embargo, no se sabe cómo cambia eso si lo dejas caer al Sol.

Hay problemas con el escenario descrito anteriormente.

En primer lugar, si el ciclo CNO operara, tendría que operar durante millones/billones de años para afectar notablemente las abundancias relativas de CNO en la fotósfera solar. Esto se debe a que el núcleo está incrustado dentro de una zona radiativa donde solo operan procesos de mezcla comparativamente lentos.

Una señal mucho más obvia de un aumento en la temperatura del núcleo solar sería un aumento dramático en la velocidad a la que se detectaron los neutrinos de la cadena pp. Dado que no está claro cuándo se establece la historia, supongo que podría ser que fueran los detectores de preneutrinos los que habrían confirmado de inmediato si el núcleo del Sol estaba más caliente de lo que debería.

En segundo lugar, en el ciclo habitual de CNO, el efecto neto es transformar el carbono del núcleo en nitrógeno. Entonces, al contrario del punto #2, la firma fotosférica de la quema de CNO (y la mezcla hacia arriba) sería un exceso de nitrógeno y un agotamiento del carbono.

En tercer lugar, la idea de Oppenheimer/Serber de un núcleo de neutrones degenerado requiere que el núcleo de neutrones sea más masivo que 0.1 − 0.2 METRO ⊙ . Son masas de núcleo de neutrones más bajas que las que no podrían formarse y no podrían ser estables.

Dada la creación (de alguna manera) de un núcleo de neutrones con METRO > 0.1 METRO ⊙ , el Sol se convertiría muy rápidamente en una supergigante roja. ¿Qué tan rápido? Básicamente sería la escala de tiempo Kelvin-Helmholtz del sobre. La luminosidad del núcleo aumentaría rápidamente a alrededor 10 , 000 L ⊙ (debido a la acumulación en el núcleo, no a la quema de CNO, por ejemplo, ver Cannon et al. 1992 ), que dada la energía potencial gravitacional, da una escala de tiempo KH de alrededor de 100-1000 años para la envoltura.

La "explosión hacia el exterior" no sería realmente una explosión, sino más bien una expansión y rarefacción de las capas exteriores del Sol, de modo que engulló a la Tierra.

La escala de tiempo para ver evidencia de esto de la quema de CNO sería mucho más larga que la escala de tiempo de expansión que hubiera pensado. El ciclo CNO ni siquiera se completa en escalas de tiempo de menos de un millón de años a temperaturas de combustión típicas.

Probablemente no debería leer el libro...

El libro está bien escrito y espero que Sawyer no vea que 'llamo la atención sobre hechos cuestionables'. Una conclusión gratificante de la trama es la redención de los físicos. Aunque ese logro es ondulado a mano. Después de todo, son ellos, en su deseo de lograr la victoria tecnológica sobre Hitler, quienes concibieron las armas atómicas. La fabricación y difusión de esta tecnología ha cargado nuestra tierra con lluvia radiactiva de bajo nivel de las pruebas, así como de los reactores de fisión fallidos. Además, la ansiedad de destrucción mutua asegurada ha llevado a una postura política insostenible.
Y, por supuesto, siempre hay una historia de amor. En este caso se trata de Oppenheimer y otra mujer. Algo que recuerda a Feynman y Arline, hay un giro conmovedor y trágico.
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