¿Qué le sucede a la materia en una gravedad extremadamente alta?

La gravedad extrema equivale esencialmente a la presión extrema. Vemos una progresión en la evolución estelar.

Las altas presiones de la enorme atracción gravitatoria de una estrella son contrarrestadas en un principio por las interacciones electromagnéticas/térmicas entre las partículas de gas. Sin embargo, en cierto punto (con suficiente atracción gravitatoria) estas interacciones no son suficientes y la fuerza gravitatoria supera a las fuerzas electromagnéticas. Los núcleos cargados positivamente chocan contra núcleos cargados positivamente y se produce la fusión de hidrógeno. La estrella está respaldada por un mayor colapso a través de la presión de degeneración de electrones, donde dos electrones no pueden ocupar el mismo estado cuántico.

A medida que los elementos se unen en elementos más pesados, la fusión se vuelve cada vez más difícil y requiere más energía. Eventualmente, las fuerzas nucleares no son suficientes y la estrella colapsa aún más, permitiendo que el carbono se fusione. Esta fusión de carbono es mucho más energética que la fusión anterior y la estrella explota. Si hay suficiente masa, se produce una supernova y el remanente podría ser una estrella de neutrones (si la estrella supera el límite de Chandrashankar de aproximadamente 1,44 masas solares ) o un agujero negro (si la estrella supera el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff de 3 masas solares). masas ).

En una estrella de neutrones, la presión de fermi-degeneración evita que las partículas colapsen hasta una singularidad gravitatoria. Esencialmente, hay suficiente presión para forzar a los electrones a convertirse en protones y formar neutrones ( desintegración beta inversa ), y los neutrones solo evitan que choquen entre sí por la presión de degeneración de neutrones. Sin embargo, con una masa lo suficientemente grande, incluso esto no es suficiente para detener el colapso, ya sea en una estrella de quark teórica o incluso en un agujero negro.

Básicamente, vemos que a medida que aumenta la presión, se superan las diversas fuerzas que mantienen la materia como materia. Primero interacciones electromagnéticas, luego presión de degeneración de electrones, luego presión de degeneración de neutrones y finalmente un colapso en una singularidad/agujero negro (o algo así) .

Editar: en respuesta a la pregunta del cartel original, teóricamente pueden condensarse aún más en una materia degenerada de quarks . Los detalles en este nivel se vuelven más confusos, ya que la fuerza fuerte es difícil de modelar con precisión debido a la libertad asintótica. A menos que haya partículas que formen quarks, este es el nivel más bajo de degeneración posible.

Separemos el asunto en dos ramas:

a) Agujeros negros , que se rigen por esas ecuaciones en las que te resistes a profundizar

b) materia en campos de alta gravedad, si la masa es lo suficientemente baja como para que no se pueda formar un agujero negro, de acuerdo con las ecuaciones.

El colapso gravitatorio está en el corazón de la formación de estructuras en el universo. Una distribución suave inicial de la materia eventualmente colapsará y causará una jerarquía de estructuras, como cúmulos de galaxias, grupos estelares, estrellas y planetas. Por ejemplo, una estrella nace a través del colapso gravitatorio gradual de una nube de materia interestelar. La compresión causada por el colapso eleva la temperatura hasta que el combustible nuclear se vuelve a encender en el centro de la estrella y el colapso se detiene. El gradiente de presión térmica (que conduce a la expansión) compensa la gravedad (que conduce a la compresión) y una estrella se encuentra en equilibrio dinámico entre estas dos fuerzas.

El colapso gravitatorio de una estrella ocurre al final de su vida, también llamado muerte de la estrella. Cuando todas las fuentes de energía estelar se agoten, la estrella sufrirá un colapso gravitacional. En este sentido, una estrella se encuentra en un estado de equilibrio "temporal" entre un colapso gravitacional en el nacimiento estelar y un colapso gravitacional adicional en la muerte estelar. Los estados finales se llaman estrellas compactas.

Los tipos de estrellas compactas son:

enanas blancas, en las que la presión de degeneración de electrones se opone a la gravedad;

Estrellas de neutrones, en las que la gravedad se opone a la presión de degeneración de neutrones y las interacciones neutrón-neutrón repulsivas de corto alcance mediadas por la fuerza fuerte;

Agujeros negros, cuando la masa es lo suficientemente alta y donde se desconoce la física en el centro.

El enlace del que se toma la cita puede informar más.

Interrupciones de las mareas

La característica más distintiva del campo gravitatorio alrededor de objetos masivos y compactos, como los agujeros negros, es la presencia de fuertes fuerzas de marea . Estas fuerzas surgen cuando la atracción gravitacional sobre una porción de un objeto difiere significativamente en fuerza de la atracción sobre otra porción de un objeto. Matemáticamente, las fuerzas de marea surgen de la presencia de segundas derivadas considerables del potencial gravitacional (o, estrictamente hablando desde la perspectiva de la relatividad general, segundas derivadas del tensor métrico ).

Como se discute bien en muchas otras respuestas en este sitio y en otras partes de Internet, un objeto que cae directamente hacia un agujero negro se estirará y se desgarrará por las fuerzas de marea que actúan sobre él. Si el objeto es una persona que cae con los pies primero, la atracción gravitatoria será más fuerte en los pies que en la cabeza, que es lo que provoca el estiramiento.

Un tema candente actual en la investigación astrofísica es la interrupción de las mareas de las estrellas que orbitan objetos compactos. Solo en el último año o dos, tales eventos han comenzado a observarse directamente .

Objetos luminosos alimentados por acreción

El campo gravitacional de un objeto compacto masivo proporciona un tremendo pozo de energía potencial. Esta energía potencial puede liberarse como radiación electromagnética cuando los objetos caen en discos de acreción calientes que rodean al objeto compacto. Un cuásar es el ejemplo más brillante de una fuente luminosa alimentada por acreción; de hecho, los cuásares se encuentran entre las fuentes de luz más energéticas del universo y se encuentran entre los objetos más distantes que podemos observar en la Tierra.

La acumulación en un pozo de potencial gravitacional es el mecanismo más eficiente del universo para liberar energía. En promedio, el 10% de la masa-energía total ($m c^2$) que cae en los cuásares se irradia como luz. En casos extremos, especialmente cuando el agujero negro tiene una gran cantidad de momento angular, esta eficiencia puede acercarse aún más a la unidad. Compare esto con la eficiencia de la fusión de hidrógeno en helio en el sol, que solo convierte el 0,7% de la masa-energía en radiación.

Envolviendo campos magnéticos

La teoría de la relatividad general de Einstein interpreta la gravedad como una curvatura en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Un ejemplo de un efecto gravitatorio puramente relativista es un tipo de 'torsión' o envoltura del espacio conocido como arrastre de marcos . Arrastrar fotogramas puede tener una serie de efectos interesantes. Uno de los más dramáticos es la envoltura de campos magnéticos en bobinas que luego pueden lanzar materia desde un disco de acreción a velocidades relativistas. Los detalles de este lanzamiento de chorro magnético se explican por el llamado mecanismo de Blandford-Znajek o por el proceso de Penrose .

Emisión de ondas gravitacionales

Cuando dos objetos masivos, como los agujeros negros, se acercan, como sucede a menudo con los agujeros negros supermasivos centrales en las galaxias después de una gran fusión de galaxias, su movimiento orbital puede enviar ondas de estiramiento y compresión del espacio-tiempo llamadas radiación gravitacional . Muy pronto (es junio de 2012 en el momento de escribir este artículo), los científicos pueden esperar detectar estas ondas gravitacionales directamente en el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO).