¿Por qué el gas forma una estrella en lugar de un agujero negro?

Esencialmente, el gas lo hace, solo sucede que primero forma una estrella.

La masa no es el único factor en la creación de un agujero negro. También es necesario que esta masa alcance una alta densidad. En el proceso de hacer esto, generalmente se forma una estrella. Los procesos de producción de energía en el interior de la estrella producen una presión que equilibra la atracción gravitatoria. Esto evita que una estrella alcance la densidad crítica necesaria para la formación de un agujero negro. A medida que estos procesos de producción de energía se queden sin combustible utilizable, la estrella eventualmente colapsará sobre sí misma creando un agujero negro.

Así que no puedes simplemente tomar un gran volumen de gas y crear un agujero negro. Ocurren otros procesos físicos.

En términos simples: porque el gas se autodestruye.

Cuando el gas (H o He) se somete a una presión extremadamente alta, lo que sucede antes de que se forme un agujero negro, los átomos comienzan la fusión nuclear, lo que libera mucha energía. Ese flujo continuo de energía es lo que hace que el sol brille y también lo que evita que el sol se colapse sobre sí mismo.

Cuando la fusión quemó/fusionó demasiado de un elemento, otro elemento se convierte en el elemento dominante para la fusión, lo que conduce a diferentes estados durante la vida de una estrella. Y una vez que la estrella se queda sin combustible, la gravedad gana.

Como dice Rob , necesitarías mucha más masa que la de una "estrella masiva" para contrarrestar la energía de fusión nuclear.

En el universo actual, esto no sucede por dos razones. Primero, el gas es inestable a la fragmentación cuando colapsa. La razón de esto es que la masa de Jeans , la masa más pequeña que probablemente se derrumbe, escala como$T^{3/2}/\rho^{1/2}$, dónde$T$es la temperatura y$\rho$la densidad Si el gas puede enfriarse 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 ser mucho más pequeños que (al menos) varias masas solares necesarias para formar un agujero negro (ver más abajo).

En segundo lugar, cada uno de esos núcleos eventualmente se calienta más en el medio. Para masas arriba$0.075M_{\odot}$, el núcleo se vuelve lo suficientemente caliente para la fusión nuclear. Esto mantiene la temperatura y la presión altas, lo que mantiene a raya la gravedad hasta que se acaba el combustible. Después de esto, la mecánica cuántica en forma de degeneración de electrones o presión de degeneración de neutrones o incluso la fuerza de repulsión entre nucleones podría sostener la estrella (como una enana blanca o una estrella de neutrones), pero no si es más masiva que$\sim 3M_{\odot}$. Para bolas de gas de menor masa (enanas marrones o planetas) se saltan la fusión nuclear y van directamente a ser sustentadas por la degeneración de electrones.

Sin embargo, en el universo primitivo , lo que usted sugiere realmente podría suceder y así podría ser cómo los agujeros negros supermasivos y los cuásares existen solo unos cientos de millones de años después del Big Bang.

El gas primordial formado solo por átomos de hidrógeno y helio no puede enfriarse de manera muy eficiente (es la presencia de átomos más pesados, producidos por generaciones anteriores de estrellas, en las nubes de gas actuales lo que conduce a un enfriamiento eficiente). Las nubes primordiales son, por lo tanto, menos susceptibles a la fragmentación porque se calientan a medida que se vuelven más densas y la masa de Jeans no puede volverse pequeña. En tales circunstancias, podría ser que un gran agujero negro ($10^4$a$10^5$masas solares) pueden formarse directamente a partir de una nube de gas que colapsa.

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 ).

No es una respuesta completa, sino más que un comentario. ¿No podemos simplemente acumular más y más masa para superar los problemas que presentaron las otras respuestas? Seguramente en algún punto del Universo, por ejemplo, al principio, las condiciones fueron favorables para la formación de estrellas extremadamente masivas de modo que la presión interna pudiera superar cualquier presión externa del calor/fusión. Es posible que entonces se forme un agujero negro de inmediato, a pesar de las barreras que impiden el colapso total. Después de todo, siempre hay barreras que impiden el colapso total, ya sea presión de radiación, presión de degeneración, etc. Es solo cuestión de superarlo con suficiente masa.

Resulta que alguien ya hizo esta pregunta y su respuesta es (a veces) no. Johnson et al. 2013 analiza la idea de que los agujeros negros primordiales supermasivos están formados por estrellas supermasivas. Por súper masivo, quiero decir$\sim50,000\:M_\odot$(la estrella más grande actualmente conocida registrada es$\sim200$-$300\:M_\odot$). Su idea es que podría tener una cantidad tan grande de masa acumulada temprano en el universo que podría tener una "estrella" en algún sentido técnico de la palabra, pero casi de inmediato (en comparación con las escalas de tiempo cosmológicas) formaría un agujero negro. Su resultado final fue que descubrieron que tratar de superar la barrera de presión de radiación que se ve en la formación estelar normal acumulando cantidades increíbles de masa solo hace que las cosas exploten en "la mayor explosión del Universo".

Cuando ese gas espacial se une para formar una estrella, el gas original y ahora una estrella, su masa es la misma (sin cambios), pero el tamaño se reduce debido a la gravedad. Cuando la estrella se colapsa para convertirse en un agujero negro, nuevamente su masa es la misma pero el tamaño se reduce debido a la gravedad. No es una forma válida de preguntar de esta manera:

Entonces, ¿qué impidió que el gas espacial formara un agujero negro en primer lugar?

El gas espacial eventualmente se encoge para convertirse en un agujero negro [si la masa inicial es lo suficientemente buena para que exista como una estrella y luego se colapsa como un agujero negro], solo el observador toma sección por sección de todo el proceso para observar [depende de qué sección se observa]. Es simple, cuando reemplazamos el objeto por analogía con esto: calentar el hielo. El hielo se derrite para convertirse en agua, luego en gas. Ahora el OP es como preguntar: ¿por qué el hielo no se convierte en gas cuando se calienta sino en agua? Suena lógico pero en realidad es el constructo de las palabras mistificado una simple analogía.