Làm thế nào để sao neutron sụp đổ vào lỗ đen?

Chúng ta biết những vụ nổ siêu tân tinh ngoạn mục, khi đủ nặng sẽ tạo thành những lỗ đen. Sự phát xạ bùng nổ của cả bức xạ điện từ và lượng vật chất khổng lồ rõ ràng có thể quan sát được và nghiên cứu khá kỹ lưỡng. Nếu ngôi sao đủ lớn, tàn dư sẽ là một lỗ đen. Nếu nó không đủ lớn, nó sẽ là một ngôi sao neutron.

Bây giờ có một chế độ tạo lỗ đen khác: ngôi sao neutron bắt đủ vật chất hoặc hai ngôi sao neutron va chạm và khối lượng kết hợp của chúng tạo ra lực hấp dẫn đủ để gây ra sự sụp đổ khác - thành lỗ đen.

Những ảnh hưởng có liên quan đến điều này? Có một sự giải phóng bùng nổ của một số loại bức xạ hoặc hạt? Có thể quan sát? Những quá trình vật lý nào xảy ra trong neutron khi chúng phải chịu sự gia tăng áp lực tới hạn? Khối lượng của lỗ đen mới là bao nhiêu, so với sao neutron gốc của nó là bao nhiêu?

Một ngôi sao neutron phải có khối lượng tối thiểu ít nhất 1,4 lần khối lượng mặt trời (nghĩa là khối lượng 1,4 lần của Mặt trời của chúng ta) để trở thành một ngôi sao neutron ngay từ đầu. Xem giới hạn Chandrasekhar trên wikipedia để biết chi tiết.

Một ngôi sao neutron được hình thành trong một siêu tân tinh , vụ nổ của một ngôi sao có ít nhất 8 khối lượng mặt trời.

Khối lượng tối đa của một ngôi sao neutron là 3 khối lượng mặt trời. Nếu nó trở nên lớn hơn thế, thì nó sẽ sụp đổ thành một ngôi sao quark , và sau đó thành một lỗ đen.

Chúng ta biết rằng 1 electron + 1 proton = 1 neutron;

1 neutron = 3 quark = lên quark + xuống quark + xuống quark;

1 proton = 3 quark = lên quark + lên quark + xuống quark;

Một siêu tân tinh dẫn đến một ngôi sao neutron (giữa 1,4 và 3 khối lượng mặt trời), một ngôi sao quark (khoảng 3 khối lượng mặt trời) hoặc một lỗ đen (lớn hơn 3 khối lượng mặt trời), là phần lõi bị sụp đổ còn lại của ngôi sao.

Trong một siêu tân tinh, phần lớn khối sao được thổi vào không gian, tạo thành các nguyên tố nặng hơn sắt không thể được tạo ra thông qua quá trình tổng hợp hạt nhân, vì ngoài sắt, ngôi sao cần nhiều năng lượng để hợp nhất các nguyên tử hơn là nó quay trở lại.

Trong sự sụp đổ siêu tân tinh, các nguyên tử trong lõi vỡ ra thành các electron, proton và neutron.

Trong trường hợp siêu tân tinh tạo ra lõi sao neutron, các electron và proton trong lõi được hợp nhất để trở thành neutron, do đó, sao neutron đường kính 20 km mới sinh có chứa từ 1,4 đến 3 khối lượng mặt trời giống như một hạt nhân nguyên tử khổng lồ chỉ chứa neutron.

Nếu khối lượng của sao neutron sau đó tăng lên, neutron trở nên thoái hóa, phá vỡ thành các quark cấu thành của chúng, do đó, ngôi sao trở thành một ngôi sao quark; sự gia tăng hơn nữa về khối lượng dẫn đến một lỗ đen.

Giới hạn khối lượng trên / dưới của một ngôi sao quark không được biết đến (hoặc ít nhất là tôi không thể tìm thấy nó), trong mọi trường hợp, đó là một dải hẹp quanh 3 khối lượng mặt trời, là khối lượng ổn định tối thiểu của lỗ đen.

Khi bạn nói về một lỗ đen có khối lượng ổn định (ít nhất là 3 khối lượng mặt trời), bạn nên cân nhắc rằng chúng có 4 hương vị: tích điện quay, không tích điện , không quay, không quay, không tích điện .

Những gì chúng ta sẽ thấy trực quan trong quá trình chuyển đổi sẽ là một tia sáng bức xạ cứng. Điều này là do trong quá trình sụp đổ, các hạt trên / gần bề mặt có thời gian phát ra bức xạ cứng khi chúng vỡ ra trước khi đi vào chân trời sự kiện; vì vậy đây có thể là một trong những nguyên nhân gây ra vụ nổ tia gamma (GRBs).

Chúng ta biết rằng các nguyên tử vỡ thành các proton, neutron, electron dưới áp suất.

Dưới áp lực nhiều hơn, các proton và electron kết hợp thành neutron.

Dưới áp lực thậm chí nhiều hơn, neutron vỡ thành quark.

Dưới áp lực vẫn nhiều hơn, có lẽ các hạt quark vỡ thành các hạt nhỏ hơn.

Cuối cùng, hạt nhỏ nhất là một chuỗi : vòng mở hoặc vòng kín và có độ dài Planck, có nhiều bậc có độ lớn nhỏ hơn quark. nếu một chuỗi được phóng to để nó có chiều dài 1 milimet, thì một proton sẽ có đường kính vừa khít giữa Mặt trời và Epsilon Eridani, cách 10,5 năm ánh sáng; đó là một proton lớn như thế nào so với một chuỗi, vì vậy bạn có thể tưởng tượng có lẽ có khá nhiều thứ trung gian giữa các quark và chuỗi.

Hiện tại, có vẻ như sẽ cần thêm vài thập kỷ nữa để tìm ra tất cả toán học trong lý thuyết dây và nếu có bất cứ điều gì nhỏ hơn chuỗi thì sẽ cần một lý thuyết mới, nhưng cho đến nay lý thuyết dây có vẻ tốt; xem cuốn sách Elegant Universe của Brian Greene.

Một chuỗi là năng lượng thuần túy và Einstein cho biết khối lượng chỉ là một dạng năng lượng, do đó, sự sụp đổ thành lỗ đen thực sự phá vỡ cấu trúc năng lượng tạo ra sự xuất hiện của các hạt khối lượng / vật chất / baryonic và khiến khối lượng trở nên đơn giản nhất hình thức, chuỗi mở hoặc đóng, nghĩa là năng lượng thuần túy bị ràng buộc bởi trọng lực.

Chúng ta biết rằng các lỗ đen (không thực sự là lỗ hoặc điểm kỳ dị, vì chúng có khối lượng, bán kính, góc quay, điện tích và do đó mật độ thay đổi theo bán kính) có thể bốc hơi , từ bỏ toàn bộ khối lượng của chúng dưới dạng bức xạ, do đó chứng minh chúng thực sự là năng lượng. Sự bay hơi của lỗ đen xảy ra nếu khối lượng của nó thấp hơn khối lượng tối thiểu của lỗ đen ổn định, là 3 khối lượng mặt trời; các bán kính Schwarzschild phương trình thậm chí sẽ cho bạn biết những gì bán kính của một hố đen được đưa ra khối lượng của nó, và ngược lại.

Vì vậy, bạn có thể biến đổi bất cứ thứ gì bạn muốn, chẳng hạn như bút chì của bạn, thành một lỗ đen nếu bạn muốn và có thể nén nó thành kích thước cần thiết để nó trở thành một lỗ đen; chỉ là nó sẽ ngay lập tức biến đổi hoàn toàn (bay hơi) thành một tia phóng xạ cứng, bởi vì một cây bút chì nhỏ hơn khối lượng lỗ đen ổn định (3 khối lượng mặt trời).

Đây là lý do tại sao thí nghiệm Cern không bao giờ có thể tạo ra một lỗ đen để nuốt Trái đất - một lỗ đen hạ nguyên tử, thậm chí một lỗ có khối lượng của toàn bộ Trái đất, hoặc Mặt trời, sẽ bốc hơi trước khi nuốt bất cứ thứ gì; không có đủ khối lượng trong hệ mặt trời của chúng ta để tạo ra một lỗ đen ổn định (3 khối lượng mặt trời).

Một cách đơn giản để một ngôi sao neutron trở nên to hơn để có thể biến thành lỗ đen là trở thành một phần của hệ nhị phân, nơi nó đủ gần với một ngôi sao khác mà sao neutron và cặp nhị phân của nó quay quanh nhau và ngôi sao neutron hút khí từ ngôi sao kia , do đó tăng khối lượng.

Đây là một bản vẽ đẹp cho thấy chính xác điều đó.

Vật chất rơi vào lỗ đen được tăng tốc về tốc độ ánh sáng. Khi nó được gia tốc, vật chất vỡ thành các hạt hạ nguyên tử và bức xạ cứng, đó là tia X và tia gamma. Bản thân một lỗ đen không nhìn thấy được, nhưng có thể nhìn thấy ánh sáng từ vật chất không được gia tốc và vỡ thành các hạt. Các lỗ đen cũng có thể gây ra hiệu ứng thấu kính hấp dẫn đối với ánh sáng của các ngôi sao / thiên hà nền.

Chỉ để tập trung vào một phần của câu hỏi của bạn. Trong khi một ngôi sao neutron có thể tích tụ vật chất hoặc hai ngôi sao neutron va chạm vào nhau, để tạo thành các lỗ đen, loại sự kiện này phải khá hiếm (mặc dù xem bên dưới)

$2M_{\odot}$$5M_{\odot}$

$2.83M_{\odot}$

$\sim 10^{44}$J. Họ có thể tạo ra một lỗ đen, hoặc có lẽ là một ngôi sao neutron lớn hơn. Cũng sẽ có một chữ ký sóng hấp dẫn (một "tiếng kêu") có thể được phát hiện bởi các thí nghiệm sóng hấp dẫn thế hệ tiếp theo (bây giờ là một thực tế). Những lỗ đen này có thể được phân lập và do đó không được thể hiện trong phân phối khối lượng ở trên. Một chữ ký quan sát thêm về các sự kiện này có thể ở dạng mức hiện tại của một số yếu tố quá trình r nặng, như Iridium và Gold, có thể được tạo ra chủ yếu trong các sự kiện này.

$1.5M_{\odot}$$2M_{\odot}$$3M_{\odot}$$>10^{18}$$^3$$2M_{\odot}$

$M_{\odot}$$M_{\odot}$

Xu hướng quan sát là các bạn đồng hành với các lỗ đen khối lượng thấp nhất trong các hệ nhị phân có thể luôn tràn ra các thùy Roche của chúng. Chữ ký bồi tụ kết quả làm thay đổi phổ đồng hành và ngăn ước tính khối lượng động (ví dụ Fasher 1999 ). Các Chandra Galactic Bulge Khảo sát đang cố gắng tìm ví dụ về hoạt động gì, tương đối thấp X-ray độ sáng, làm lu mờ nhị phân nhỏ gọn, mà để đo sự phân bố khối lượng lỗ đen không thiên vị hơn.

$2.4^{+2.1}_{-1.1}\ M_{\odot}$