ทำไมแก๊สถึงก่อตัวดาวฤกษ์แทนที่จะเป็นหลุมดำ

เมื่อก๊าซอวกาศถูกดึงเข้าหากันดาวจะก่อตัวขึ้น ในทางกลับกันเมื่อดาวมวลสูงตายลงมันจะยุบตัวเป็นหลุมดำ

คุณอาจคิดว่ามวลเริ่มต้นของก๊าซน่าจะใหญ่กว่าดาวฤกษ์ที่ดำรงอยู่มาหลายพันล้านปีและสูญเสียมวลในกระบวนการ

แล้วอะไรที่ทำให้ก๊าซอวกาศไม่สามารถก่อตัวเป็นหลุมดำได้ในตอนแรก

แก่นแท้ของแก๊สจะเกิดขึ้นเพื่อก่อตัวดาวฤกษ์ก่อน

มวลไม่ได้เป็นเพียงปัจจัยเดียวในการสร้างหลุมดำ คุณต้องการมวลนี้เพื่อให้ได้ความหนาแน่นสูง ในขั้นตอนการทำเช่นนี้ดาวมักจะก่อตัว กระบวนการผลิตพลังงานในการตกแต่งภายในของดาวก่อให้เกิดแรงกดดันที่ทำให้เกิดแรงดึงดูด สิ่งนี้ช่วยป้องกันไม่ให้ดาวเข้าถึงความหนาแน่นวิกฤตที่จำเป็นสำหรับการก่อตัวของหลุมดำ เมื่อกระบวนการผลิตพลังงานเหล่านี้หมดเชื้อเพลิงที่ใช้ไปแล้วดวงดาวก็จะยุบตัวจนกลายเป็นหลุมดำในที่สุด

ดังนั้นคุณไม่สามารถใช้ก๊าซปริมาณมากและสร้างหลุมดำได้ กระบวนการทางกายภาพอื่น ๆ เกิดขึ้น

ในแง่ง่าย ๆ : เพราะแก๊สจะแยกตัวออกจากกัน

เมื่อก๊าซ (H หรือ He) ถูกทำให้อยู่ภายใต้แรงดันสูงมากซึ่งเกิดขึ้นก่อนที่หลุมดำจะเกิดขึ้นอะตอมจะเริ่มหลอมนิวเคลียร์ซึ่งปล่อยพลังงานจำนวนมาก กระแสพลังงานที่ต่อเนื่องนั้นเป็นสิ่งที่ทำให้ดวงอาทิตย์สว่างและเป็นสิ่งที่ทำให้ดวงอาทิตย์ไม่สามารถยุบตัวได้

เมื่อฟิวชั่นเผาไหม้ / หลอมรวมองค์ประกอบหนึ่งมากเกินไปองค์ประกอบอื่นจะกลายเป็นองค์ประกอบหลักสำหรับฟิวชั่นซึ่งจะนำไปสู่สภาวะต่าง ๆ ในช่วงชีวิตของดาวฤกษ์ และเมื่อดาวฤกษ์หมดเชื้อเพลิงแรงโน้มถ่วงก็จะชนะ

อย่างที่ร็อบบอกว่าคุณต้องการมวลมากกว่ามวลของดาวมวลสูงเพื่อต่อต้านพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่น

ในจักรวาลยุคปัจจุบันสิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นด้วยเหตุผลสองประการ อย่างแรกคือแก๊สไม่เสถียรต่อการกระจายตัวของมันในขณะที่มันยุบตัว เหตุผลของเรื่องนี้ก็คือมวลยีนส์ซึ่งเป็นมวลที่เล็กที่สุดที่น่าจะยุบสเกลเป็นโดยที่คืออุณหภูมิและความหนาแน่นของหากก๊าซเย็นลงในขณะที่ยุบตัวลงอุณหภูมิจะคงที่อย่างสม่ำเสมอมวลของยีนส์จะตกลงมาและก้อนเมฆก็สลายตัวเป็นแกนกลางที่เล็กกว่า แกนเหล่านี้มักจะมีขนาดเล็กกว่า (อย่างน้อย) มวลดวงอาทิตย์จำนวนมากที่จำเป็นในการก่อตัวเป็นหลุมดำ (ดูด้านล่าง) T $T^{3/2}/\rho^{1/2}$$T$$\rho$

ประการที่สองแต่ละแกนเหล่านั้นจะร้อนขึ้นในกลาง สำหรับมวลที่สูงกว่าแกนกลางจะร้อนพอสำหรับการหลอมนิวเคลียร์ สิ่งนี้จะรักษาอุณหภูมิและความดันสูงซึ่งจะรักษาแรงโน้มถ่วงที่อ่าวจนกว่าเชื้อเพลิงจะหมด หลังจากนี้กลศาสตร์ควอนตัมในรูปแบบของความเสื่อมอิเล็กตรอนหรือความดันนิวตรอนเสื่อมหรือแม้กระทั่งแรงผลักระหว่างนิวคลีอออาจสนับสนุนดาว (เป็นสีขาวแคระหรือดาวนิวตรอน) แต่ไม่ได้ถ้ามันเป็นขนาดใหญ่กว่า . สำหรับลูกมวลแก๊สที่ต่ำกว่า (ดาวแคระน้ำตาลหรือดาวเคราะห์) พวกมันข้ามฟิวชั่นนิวเคลียร์และพุ่งตรงไปที่การสนับสนุนจากความเสื่อมของอิเล็กตรอน ∼ 3 M $0.075M_{\odot}$$\sim 3M_{\odot}$

อย่างไรก็ตามในเอกภพยุคแรกสิ่งที่คุณแนะนำอาจเกิดขึ้นจริงและนี่อาจเป็นว่าหลุมดำและควาซาร์มหาศาลอยู่เพียงไม่กี่ร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบง

ก๊าซปฐมภูมิที่ทำจากไฮโดรเจนและฮีเลียมเพียงอย่างเดียวนั้นไม่สามารถทำให้เย็นลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ (มันคือการปรากฏตัวของอะตอมที่หนักกว่าซึ่งผลิตโดยดาวรุ่นก่อนหน้าในเมฆก๊าซในยุคปัจจุบันที่นำไปสู่ เมฆดึกดำบรรพ์จึงมีความอ่อนไหวต่อการแตกหักน้อยลงเนื่องจากพวกมันร้อนขึ้นเมื่อมีความหนาแน่นมากขึ้นและมวลของยีนส์จะไม่เล็ก ในกรณีดังกล่าวอาจเป็นไปได้ว่าหลุมดำขนาดใหญ่ (ถึงมวลดวงอาทิตย์) สามารถก่อตัวได้โดยตรงจากก้อนก๊าซที่ยุบตัว10 $10^4$$10^5$

ดูข่าวประชาสัมพันธ์ฉบับนี้เพื่อสรุปทางเลือกของความคิดนี้และลิงก์ไปยังเอกสารวิชาการล่าสุดในหัวข้อ (เช่นAgarawal et al. 2015 ; Regan et al. 2017 )

ไม่ใช่คำตอบแบบเต็ม แต่มีความคิดเห็นมากกว่า เราไม่สามารถกองจำนวนมากขึ้นเพื่อเอาชนะปัญหาที่คำตอบอื่น ๆ นำเสนอได้หรือไม่? แน่นอนที่จุดในจักรวาลเช่นที่จุดเริ่มต้นมากเงื่อนไขบางคนที่ดีสำหรับการขึ้นรูปมากดาวขนาดใหญ่ดังกล่าวว่าความดันขาเข้าสามารถเอาชนะความดันภายนอกใด ๆ จากความร้อน / ฟิวชั่น อาจเป็นไปได้ว่าหลุมดำอาจก่อตัวขึ้นในทันที ท้ายที่สุดมันมีอุปสรรคในการป้องกันการพังทลายอย่างสิ้นเชิงไม่ว่าจะเป็นความดันจากรังสีความดันความเสื่อมเป็นต้นมันเป็นเรื่องของการเอาชนะมันด้วยมวลที่มากพอ

ปรากฏว่ามีคนถามคำถามนี้แล้วและคำตอบของพวกเขาคือ (บางครั้ง) ไม่ Johnson และคณะ 2013กล่าวถึงแนวคิดของหลุมดำขนาดมหึมาที่มีขนาดใหญ่เป็นพิเศษซึ่งก่อตัวขึ้นโดยดาวมวลสูงมาก โดยมวลมหาศาลฉันหมายถึง (ดาวที่บันทึกไว้ที่ใหญ่ที่สุดและรู้จักกันในปัจจุบันคือ - ∼ 200 $\sim50,000\:M_\odot$$\sim200$$300\:M_\odot$) ความคิดของพวกเขาคือคุณสามารถมีมวลก้อนใหญ่จำนวนมากในช่วงต้นของจักรวาลที่คุณอาจมี "ดาว" ด้วยความรู้สึกทางเทคนิคของคำ แต่มันจะเกือบจะในทันที (เทียบกับช่วงเวลาจักรวาล) ก่อตัวเป็นหลุมดำ ผลลัพธ์ขั้นสุดท้ายของพวกเขาคือพวกเขาพบว่าการพยายามเอาชนะกำแพงความดันรังสีที่คุณเห็นในการก่อตัวดาวฤกษ์ปกติโดยการซ้อนทับมวลจำนวนบ้า ๆ นั้นทำให้เกิดการระเบิดใน "การระเบิดครั้งใหญ่ที่สุดในจักรวาล"

เมื่อก๊าซอวกาศนั้นถูกดึงเข้าด้วยกันเพื่อก่อตัวเป็นดาวก๊าซเดิมและตอนนี้ดาวจะมีมวลเท่ากัน (ไม่เปลี่ยนแปลง) แต่ขนาดลดลงเนื่องจากแรงโน้มถ่วง เมื่อดาวฤกษ์ยุบตัวเป็นหลุมดำมวลของมันก็จะเท่าเดิม แต่ขนาดจะหดตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วง มันไม่ใช่วิธีที่ถูกต้องที่จะถามในลักษณะนี้:

แล้วอะไรที่ทำให้ก๊าซอวกาศไม่สามารถก่อตัวเป็นหลุมดำได้ในตอนแรก

ในที่สุดก๊าซอวกาศจะหดตัวจนกลายเป็นหลุมดำ [หากมวลเริ่มต้นดีพอที่จะมีอยู่ในฐานะดาวแล้วยุบตัวเป็นหลุมดำ] ผู้สังเกตการณ์ที่เข้าส่วนตามส่วนของกระบวนการทั้งหมดเพื่อสังเกต [ขึ้นอยู่กับ ส่วนใดเป็นข้อสังเกต] มันง่ายเมื่อแทนที่วัตถุเพื่อเปรียบเทียบกับสิ่งนี้: ทำให้น้ำแข็งร้อนขึ้น น้ำแข็งละลายกลายเป็นน้ำแล้วเติมแก๊ส ทีนี้ OP ก็เหมือนกับถามว่า: ทำไมน้ำแข็งถึงไม่เปลี่ยนเป็นแก๊สเมื่อถูกความร้อน แต่มีน้ำ? มันฟังดูมีเหตุผล แต่ในความเป็นจริงแล้วมันเป็นสิ่งที่สร้างขึ้นมาของคำที่ทำให้ประหลาดใจเปรียบเทียบง่าย ๆ