¿Puede haber estrellas de electrones y/o protones?

Si una estrella esférica y densa estuviera hecha de materia uniformemente cargada, habría una fuerza gravitatoria de atracción y una fuerza eléctrica de repulsión. Estos se equilibrarían por un cargo neto muy pequeño:

Lo que realmente sucede es que los protones y electrones se someten a captura de electrones para producir neutrones y neutrinos de tipo electrónico.

Las otras respuestas cubren su segunda pregunta lo suficientemente bien, pero aún faltan algunos detalles en la primera: qué les sucede a los protones y electrones en una estrella cuando colapsa en una estrella de neutrones. La respuesta básica es simple: se convierten en esos neutrones.

La razón por la que esto sucede es que, como resultado, un par de {electrones, protones} es intercambiable con un neutrón, o al menos es intercambiable dada la energía suficiente. La versión "más natural" de la reacción, de hecho, va en sentido contrario: por sí solo, un neutrón decaerá en un protón, emitiendo un electrón en el proceso para mantener feliz el equilibrio de carga.

Este es el ejemplo más básico de desintegración beta y tiene una vida media de unos 15 minutos , que es bastante rápida para una reacción de fuerza débil.

los$\bar{\nu}_e$es un antineutrino, que necesita ser emitido para mantener constante el número de leptones . No tiene masa, pero sí lleva energía, entonces lo que sucede es que el neutrón puede convertirse en protón y así perder un poco de masa, que se convierte en energía suficiente para materializar el electrón y el antineutrino y acelerarlos a energías keV.

Ahora, una de las cosas interesantes de la física de partículas es que es esencialmente reversible en el tiempo, lo que significa que puede ejecutar cualquier reacción a la inversa. En este caso, puedes hacer algo como

En cualquier estrella dada, ambas reacciones ocurrirán con cierta probabilidad. Tendrá una cierta cantidad de neutrones libres pegados, y estos se descompondrán en pares de protones y electrones, pero también tendrá muchos protones y electrones en un entorno energético, por lo que si dos de ellos chocan con suficiente energía, se coalescen en un neutrón por un rato.

La palabra clave, sin embargo, es "suficiente" energía, y en una estrella normal la energía térmica -digamos, ~1keV para los 16 MK en el núcleo del sol- no es suficiente para proporcionar una fracción significativa de las colisiones protón-electrón que ~ 780keV que necesitan para producir un neutrón. Sin embargo, en cualquier ambiente térmico habrá algunas partes del sistema que fluctúan a energías$E$más grande que la energía térmica$k_B T$, con probabilidad$e^{-E/k_B T}$. En este caso, esto da una estimación aproximada de que$e^{-1.35/780}\approx 0.1\%$de colisiones protón-electrón producen un neutrón, que es pequeño pero no completamente despreciable.

Esto en cuanto a estrellas normales en equilibrio. Para hacer una estrella de neutrones, se necesita algo más para romper esta ecuación, y esto resulta ser una inmensa cantidad de presión: el plasma circundante empuja esencialmente al electrón hacia el protón. Una vez que la fusión nuclear deja de tener combustible, la temperatura ya no puede mantener el ritmo de la presión y, a temperaturas bastante constantes*, la presión aumenta a niveles enormes.

La razón por la que la presión cambia el juego es que la reacción de captura de electrones reduce significativamente el volumen ocupado por el sistema, lo que significa que el entorno realiza un trabajo sobre el sistema empujándolo, exactamente de la misma manera que un pistón realiza un trabajo sobre un gas. eso está dentro de una caja. Es este trabajo adicional, realizado en un volumen diminuto por una presión absolutamente gigantesca, el que proporciona los considerables >780 keV de energía necesarios para que la reacción de captura de electrones sea favorable.

^{* O algo parecido. Expertos, corríjanme si me equivoco.}

La fuerza interna de la gravitación es tan fuerte que la presión externa que el electrón es forzado dentro del núcleo y se fusiona con el protón para convertirse en una partícula neutra similar al neutrón. En cierto sentido, podemos decir que los núcleos contienen solo neutrones y, por lo tanto, se llaman estrellas de neutrones.

Addon a las respuestas actuales. Hasta ahora descuidan la interacción fuerte, que mantiene unidos los núcleos atómicos conocidos, trabajando "en contra" de la repulsión eléctrica mutua de los protones. Pero incluso$^2$Él no es estable. Dado que la fuerza gravitatoria es significativamente más débil que la electromagnética, las estrellas de protones (hasta donde yo sé) no son posibles.

La respuesta a la pregunta principal es no . La fuerza de repulsión debida a "cargas similares" es mucho mayor que la fuerza de atracción gravitatoria, por lo que sería imposible formar una estrella. En el caso de "cargas opuestas" la situación ahora se invierte, las cargas opuestas se atraen y se crean átomos de helio. Si se crean suficientes, la fuerza de atracción gravitacional aumenta hasta que es mayor que la fuerza que separa los protones y los electrones y se "fusionan", creando neutrones. Esto continúa hasta que todos los electrones (o protones) desaparecen, por lo que se crearía una estrella de neutrones.