Tại sao khí tạo thành một ngôi sao thay vì lỗ đen?

Khi một khí không gian được kéo lại với nhau, một ngôi sao được hình thành. Mặt khác, khi một ngôi sao lớn chết đi, nó sụp đổ thành một lỗ đen.

Bạn sẽ nghĩ rằng khối lượng ban đầu của khí sẽ lớn hơn ngôi sao tồn tại hàng tỷ năm và mất khối lượng trong quá trình này.

Vì vậy, những gì ngăn chặn khí không gian hình thành một lỗ đen ở nơi đầu tiên?

Về cơ bản khí có, nó chỉ xảy ra để tạo thành một ngôi sao đầu tiên.

Khối lượng không phải là yếu tố duy nhất để tạo ra một lỗ đen. Bạn cũng cần cho khối lượng này để đạt được mật độ cao. Trong quá trình làm việc này, một ngôi sao thường hình thành. Các quy trình sản xuất năng lượng trong nội thất sao tạo ra một áp lực cân bằng lực hấp dẫn. Điều này ngăn một ngôi sao đạt được mật độ tới hạn cần thiết cho sự hình thành lỗ đen. Khi các quá trình sản xuất năng lượng này hết nhiên liệu có thể sử dụng, ngôi sao cuối cùng sẽ tự sụp đổ tạo ra một lỗ đen.

Vì vậy, bạn không thể lấy một lượng lớn khí và tạo ra một lỗ đen. Các quá trình vật lý khác xảy ra.

Nói một cách đơn giản: Vì khí độc tách ra.

Khi khí (H hoặc He) được đặt dưới áp suất cực cao, xảy ra trước khi lỗ đen được hình thành, các nguyên tử bắt đầu phản ứng tổng hợp hạt nhân, giải phóng rất nhiều năng lượng. Dòng năng lượng liên tục đó là thứ làm cho mặt trời sáng và cũng là thứ giữ cho mặt trời không bị sụp đổ vào chính nó.

Khi phản ứng tổng hợp đốt cháy / hợp nhất quá nhiều một yếu tố, một yếu tố khác trở thành yếu tố chi phối cho phản ứng tổng hợp, dẫn đến các trạng thái khác nhau trong vòng đời của một ngôi sao. Và một khi ngôi sao hết nhiên liệu, trọng lực sẽ chiến thắng.

Như Rob nói , bạn cần khối lượng lớn hơn một "ngôi sao lớn" để chống lại năng lượng nhiệt hạch hạt nhân.

Trong vũ trụ ngày nay, điều này không xảy ra vì hai lý do. Đầu tiên, khí không ổn định để phân mảnh khi nó sụp đổ. Lý do cho điều này là khối Jeans , khối lượng nhỏ nhất có khả năng sụp đổ, có tỷ lệ là , trong đó là nhiệt độ và mật độ . Nếu khí có thể nguội đi khi nó sụp đổ, thì nhiệt độ vẫn không đổi, khối Jeans rơi xuống và đám mây vỡ thành các lõi nhỏ hơn. Các lõi này thường nhỏ hơn nhiều so với (ít nhất) một số khối lượng mặt trời cần thiết để tạo thành một lỗ đen (xem bên dưới). T $T^{3/2}/\rho^{1/2}$$T$$\rho$

Thứ hai, mỗi lõi cuối cùng sẽ nóng hơn ở giữa. Đối với khối lượng trên , lõi trở nên đủ nóng để phản ứng tổng hợp hạt nhân. Điều này duy trì nhiệt độ và áp suất cao, giữ cho trọng lực ở lại cho đến khi hết nhiên liệu. Sau này, cơ học lượng tử ở dạng thoái hóa electron hoặc áp suất thoái hóa neutron hoặc thậm chí lực đẩy giữa các hạt nhân có thể hỗ trợ ngôi sao (như sao lùn trắng hoặc sao neutron), nhưng không phải nếu nó lớn hơn . Đối với những quả bóng khí có khối lượng thấp hơn (sao lùn nâu hoặc hành tinh), họ bỏ qua phản ứng tổng hợp hạt nhân và đi thẳng để được hỗ trợ bởi sự thoái hóa điện tử. ~ 3 M $0.075M_{\odot}$$\sim 3M_{\odot}$

Tuy nhiên, trong vũ trụ sơ khai, những gì bạn đề xuất có thể thực sự xảy ra và đây có thể là cách các hố đen và quasar khổng lồ tồn tại chỉ vài trăm triệu năm sau vụ nổ lớn.

Khí nguyên thủy làm từ nguyên tử hydro và heli không thể làm mát rất hiệu quả (đó là sự hiện diện của các nguyên tử nặng hơn, được tạo ra bởi các thế hệ sao trước đây, trong các đám mây khí ngày nay dẫn đến làm mát hiệu quả). Do đó, các đám mây nguyên thủy ít bị phân mảnh hơn vì chúng nóng lên khi chúng dày đặc hơn và khối Jeans không thể trở nên nhỏ. Trong trường hợp như vậy, có thể là một lỗ đen lớn ( đến khối lượng mặt trời) có thể hình thành trực tiếp từ một đám mây khí sụp đổ.10 $10^4$$10^5$

Xem thông cáo báo chí này để biết tóm tắt thay thế về ý tưởng này và liên kết đến các bài báo học thuật gần đây về chủ đề này (ví dụ Agarawal et al. 2015 ; Regan et al. 2017 ).

Không phải là một câu trả lời đầy đủ, nhưng nhiều hơn một bình luận. Chúng ta không thể chồng chất ngày càng nhiều hơn để khắc phục các vấn đề mà các câu trả lời khác đã trình bày? Chắc chắn tại một số thời điểm trong Vũ trụ, ví dụ, ngay từ đầu, các điều kiện thuận lợi cho việc hình thành các ngôi sao cực kỳ lớn để áp lực bên trong có thể vượt qua mọi áp lực bên ngoài từ nhiệt / nhiệt hạch. Có thể sau đó một lỗ đen có thể hình thành ngay lập tức, bất chấp các rào cản ngăn chặn sự sụp đổ hoàn toàn. Rốt cuộc, luôn có những rào cản ngăn chặn sự sụp đổ hoàn toàn, có thể là áp suất bức xạ, áp suất thoái hóa, v.v ... Đó chỉ là vấn đề vượt qua nó với khối lượng đủ lớn.

Hóa ra ai đó đã hỏi câu hỏi này và câu trả lời của họ là (đôi khi) không. Johnson và cộng sự. 2013 thảo luận về ý tưởng về các lỗ đen siêu lớn nguyên thủy được hình thành bởi các ngôi sao siêu lớn. Theo siêu lớn, ý tôi là (ngôi sao lớn nhất, hiện được biết đến trong hồ sơ là - ~ 200 $\sim50,000\:M_\odot$$\sim200$$300\:M_\odot$). Ý tưởng của họ là bạn có thể có một khối lượng khổng lồ như vậy chồng chất trong vũ trụ đến mức bạn có thể có một "ngôi sao" theo nghĩa kỹ thuật của từ này nhưng nó gần như ngay lập tức (so với thời gian vũ trụ) tạo thành một lỗ đen. Kết quả cuối cùng của họ là họ phát hiện ra rằng cố gắng vượt qua hàng rào áp suất bức xạ mà bạn thấy trong quá trình hình thành sao bình thường bằng cách chồng chất lên khối lượng điên rồ chỉ khiến mọi thứ bùng nổ trong "vụ nổ lớn nhất trong vũ trụ".

Khi khí không gian đó được kéo lại với nhau để tạo thành một ngôi sao, khí ban đầu và bây giờ một ngôi sao khối lượng của chúng là như nhau (không thay đổi), nhưng kích thước giảm, do trọng lực. Khi ngôi sao sụp đổ thành một lỗ đen, một lần nữa khối lượng của chúng giống nhau nhưng kích thước bị thu hẹp lại, do trọng lực. Đây không phải là một cách hợp lệ để hỏi theo cách này:

Vì vậy, những gì ngăn chặn khí không gian hình thành một lỗ đen ở nơi đầu tiên?

Khí không gian cuối cùng co lại để trở thành một lỗ đen [nếu khối lượng ban đầu đủ tốt để nó tồn tại như một ngôi sao sau đó sụp đổ như một lỗ đen], chỉ người quan sát lấy phần của toàn bộ quá trình để quan sát [phụ thuộc vào phần nào được quan sát]. Thật đơn giản, khi thay thế đối tượng tương tự như thế này: làm nóng băng. Băng tan chảy thành nước, rồi ga. Bây giờ OP giống như hỏi: tại sao nước đá không chuyển thành khí khi được làm nóng mà là nước? Nghe có vẻ hợp lý nhưng thực tế nó là cấu trúc của các từ bí ẩn một sự tương tự đơn giản.