ดาวนิวตรอนยุบตัวเป็นหลุมดำได้อย่างไร

เรารู้ว่าการระเบิดของซุปเปอร์โนวาที่น่าทึ่งซึ่งเมื่อหนักพอจะก่อตัวเป็นหลุมดำ การแผ่รังสีระเบิดของทั้งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและสสารจำนวนมากนั้นสามารถสังเกตได้และศึกษาอย่างละเอียดถี่ถ้วน ถ้าดาวมีมวลมากพอเศษที่เหลือก็จะเป็นหลุมดำ ถ้ามันไม่ใหญ่พอมันจะกลายเป็นดาวนิวตรอน

ตอนนี้มีอีกโหมดของการสร้างหลุมดำ: ดาวนิวตรอนจับสสารเพียงพอหรือดาวนิวตรอนสองดวงปะทะกันและมวลรวมของพวกมันสร้างแรงโน้มถ่วงมากพอที่จะทำให้เกิดการยุบตัวอีกครั้ง - กลายเป็นหลุมดำ

ผลกระทบอะไรที่เกี่ยวข้องกับสิ่งนี้? มีการปล่อยรังสีหรืออนุภาคบางชนิดอย่างระเบิดหรือไม่? เป็นที่สังเกตได้หรือไม่ กระบวนการทางกายภาพใดที่เกิดขึ้นในนิวตรอนเมื่อพวกมันถูกกดดันอย่างรุนแรง อะไรคือมวลของหลุมดำใหม่เปรียบเทียบกับดาวนิวตรอนต้นกำเนิด

ดาวนิวตรอนจะต้องมีมวลขั้นต่ำอย่างน้อย 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ (นั่นคือมวล 1.4x ของดวงอาทิตย์ของเรา) เพื่อที่จะกลายเป็นดาวนิวตรอนในตอนแรก ดูรายละเอียดที่Chandrasekharที่วิกิพีเดีย

ดาวนิวตรอนก่อตัวขึ้นระหว่างซุปเปอร์โนวาการระเบิดของดาวฤกษ์ที่มีมวลอย่างน้อย 8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์

มวลสูงสุดของดาวนิวตรอนคือ 3 เท่าของดวงอาทิตย์ ถ้ามันมีมวลมากกว่านั้นมันก็จะยุบตัวกลายเป็นดาวควาร์กแล้วกลายเป็นหลุมดำ

เรารู้ว่า 1 อิเล็กตรอน + 1 โปรตอน = 1 นิวตรอน

1 นิวตรอน = 3 ควาร์ก = ควาร์กขึ้น + ควาร์ก + ควาร์กลง;

1 โปรตอน = 3 ควาร์ก = ควาร์ก + ควาร์กขึ้น + ควาร์กลง;

ซูเปอร์โนวาส่งผลให้มีดาวนิวตรอน (ระหว่าง 1.4 และ 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) เป็นดาวควาร์ก (ประมาณ 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) หรือหลุมดำ (มากกว่า 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) ซึ่งเป็นแกนกลางที่ยุบตัวของดาวที่เหลือ

ในช่วงซูเปอร์โนวามวลของดาวฤกษ์ส่วนใหญ่จะถูกระเบิดออกไปในอวกาศก่อตัวองค์ประกอบที่หนักกว่าเหล็กซึ่งไม่สามารถสร้างขึ้นได้โดยผ่านนิวคลีโอซินทิลเนื่องจากดาวฤกษ์มีธาตุเหล็กสูงกว่าดาวฤกษ์จึงต้องการพลังงานมากกว่าในการหลอมอะตอม

ในระหว่างการล่มสลายของซุปเปอร์โนวาอะตอมในแกนกลางจะแตกออกเป็นอิเล็กตรอนโปรตอนและนิวตรอน

ในกรณีที่ซูเปอร์โนวาส่งผลให้เกิดแกนกลางของดาวนิวตรอนอิเล็กตรอนและโปรตอนในแกนกลางจะรวมกันกลายเป็นนิวตรอนดังนั้นดาวนิวตรอนที่เกิดใหม่ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 กม. ที่มีมวลระหว่าง 1.4 ถึง 3 เท่ามวลดวงอาทิตย์ก็เหมือนนิวเคลียสยักษ์ มีเพียงนิวตรอน

หากมวลของดาวนิวตรอนเพิ่มขึ้นนิวตรอนก็จะเสื่อมสภาพและแตกตัวเป็นควาร์กที่เป็นองค์ประกอบดังนั้นดาวจึงกลายเป็นดาวควาร์ก การเพิ่มขึ้นของมวลส่งผลให้เกิดหลุมดำ

(หรืออย่างน้อยก็หาไม่ได้) ไม่ว่าในกรณีใดก็ตามมันเป็นวงแคบ ๆ ประมาณ 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นมวลคงที่ต่ำสุดของหลุมดำ

เมื่อคุณพูดถึงหลุมดำที่มีมวลคงที่ (อย่างน้อย 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) คุณควรพิจารณาว่าพวกเขามี 4 รสชาติ: การชาร์จแบบหมุน , การหมุนแบบไม่มีประจุ , แบบไม่หมุน .

สิ่งที่เราเห็นด้วยตาเปล่าในช่วงการเปลี่ยนภาพนั้นคือแสงแฟลชรังสีอย่างแรง นี่เป็นเพราะในระหว่างการล่มสลายอนุภาคที่อยู่บน / ใกล้พื้นผิวมีเวลาที่จะเปล่งรังสีอย่างหนักเมื่อมันสลายตัวก่อนที่จะเข้าสู่ขอบฟ้าเหตุการณ์ ดังนั้นนี่อาจเป็นสาเหตุหนึ่งของการปะทุรังสีแกมม่า (GRBs)

เรารู้ว่าอะตอมแตกตัวเป็นโปรตอนนิวตรอนอิเล็กตรอนภายใต้ความกดดัน

ภายใต้ความกดดันที่มากขึ้นโปรตอนและอิเล็กตรอนจะรวมกันเป็นนิวตรอน

ภายใต้ความกดดันที่มากขึ้นนิวตรอนจะแตกออกเป็นควาร์ก

ภายใต้แรงกดดันที่เพิ่มขึ้นอาจควาร์กแตกตัวเป็นอนุภาคขนาดเล็ก

ในที่สุดอนุภาคที่มีขนาดเล็กที่สุดคือสตริง : เปิดหรือปิดลูปและมีความยาวพลังค์ซึ่งเป็นคำสั่งจำนวนมากที่มีขนาดเล็กกว่าควาร์ก ถ้าสตริงถูกขยายดังนั้นมันจึงมีความยาว 1 มิลลิเมตรดังนั้นโปรตอนจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่พอดีระหว่างดวงอาทิตย์และเอปไซลอนเอริดานี่ห่างออกไป 10.5 ปีแสง นั่นเป็นวิธีที่โปรตอนมีขนาดใหญ่เมื่อเปรียบเทียบกับสายอักขระดังนั้นคุณสามารถจินตนาการได้ว่าอาจมีบางสิ่งที่อยู่ตรงกลางระหว่างควาร์กและสตริง

ขณะนี้ดูเหมือนว่าจะต้องใช้เวลาอีกหลายทศวรรษในการหาคณิตศาสตร์ทั้งหมดในทฤษฎีสตริงและถ้ามีอะไรที่เล็กไปกว่าสตริงก็ต้องมีทฤษฎีใหม่มาใช้ แต่ทฤษฎีสตริงนั้นดูดี ดูหนังสือElegant Universeโดย Brian Greene

สตริงนั้นเป็นพลังงานบริสุทธิ์และไอน์สไตน์กล่าวว่ามวลเป็นเพียงรูปแบบหนึ่งของพลังงานดังนั้นการยุบตัวลงในหลุมดำจะทำลายโครงสร้างของพลังงานที่ให้รูปร่างของอนุภาคมวล / สสาร / แบริออนและทำให้มวลนั้นเรียบง่ายที่สุด รูปแบบสายเปิดหรือปิดนั่นคือพลังงานบริสุทธิ์ที่ถูกผูกไว้ด้วยแรงโน้มถ่วง

เรารู้ว่าหลุมดำ (ซึ่งไม่ใช่หลุมหรือเอกฐานจริงๆเนื่องจากมีมวลรัศมีการหมุนประจุและความหนาแน่นที่แปรผันตามรัศมี) สามารถระเหยทำให้มวลทั้งหมดของพวกมันอยู่ในรูปของรังสีจึงพิสูจน์ได้ พวกเขาเป็นพลังงานจริง การระเหยของหลุมดำเกิดขึ้นหากมวลของมันต่ำกว่ามวลขั้นต่ำของหลุมดำที่มีเสถียรภาพซึ่งก็คือ 3 มวลดวงอาทิตย์ สมการของSchwarzschild รัศมีจะบอกคุณว่ารัศมีของหลุมดำได้รับมวลเท่าไหร่และในทางกลับกัน

ดังนั้นคุณสามารถแปลงอะไรก็ได้ที่คุณต้องการเช่นดินสอของคุณให้กลายเป็นหลุมดำถ้าคุณต้องการและสามารถบีบอัดมันให้มีขนาดที่ต้องการเพื่อให้มันกลายเป็นหลุมดำ มันเป็นเพียงแค่ว่ามันจะแปลงตัวเองทันที (ระเหย) อย่างสมบูรณ์เป็นแฟลชของรังสีรุนแรงเพราะดินสอมีค่าน้อยกว่ามวลหลุมดำที่มีเสถียรภาพ (3 ดวงอาทิตย์)

นี่คือเหตุผลที่การทดลองของ CERN ไม่สามารถสร้างหลุมดำเพื่อกลืนโลก - หลุมดำ subatomic แม้แต่ที่มีมวลของทั้งโลกหรือดวงอาทิตย์จะระเหยไปก่อนที่จะกลืนอะไร ระบบสุริยะของเรามีมวลไม่เพียงพอที่จะสร้างหลุมดำที่เสถียร (3 เท่าของดวงอาทิตย์)

วิธีที่ง่ายสำหรับดาวนิวตรอนที่จะมีมวลมากขึ้นเพื่อที่จะสามารถกลายเป็นหลุมดำได้ก็คือการเป็นส่วนหนึ่งของระบบดาวคู่ซึ่งมันอยู่ใกล้กับดาวฤกษ์อื่นที่ดาวนิวตรอนและคู่ไบนารีโคจรรอบกันและกัน และดาวนิวตรอนจะดูดก๊าซจากดาวอีกดวงหนึ่ง

นี่คือภาพวาดที่ดีที่แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า

สสารที่ตกลงไปในหลุมดำนั้นจะถูกเร่งไปที่ความเร็วแสง เมื่อมีการเร่งความเร็วสสารจะแตกตัวเป็นอนุภาคย่อยและการแผ่รังสีอย่างหนักนั่นคือรังสีเอกซ์และรังสีแกมมา มองไม่เห็นหลุมดำ แต่จะเห็นแสงจากสสารที่ถูกเร่งและแตกเป็นอนุภาคได้ หลุมดำอาจทำให้เลนส์ความโน้มถ่วงมีผลต่อแสงของดาวพื้นหลัง / กาแล็กซี่

เพียงแค่มุ่งเน้นที่ส่วนหนึ่งของคำถามของคุณ ในขณะที่มันอาจเป็นไปได้ที่ดาวนิวตรอนจะสะสมวัตถุหรือสำหรับดาวนิวตรอนสองดวงที่จะชนกันเพื่อก่อตัวเป็นหลุมดำเหตุการณ์แบบนี้ต้องเกิดขึ้นได้ยาก (แม้ว่าจะดูด้านล่าง)

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

$2.83M_{\odot}$

$\sim 10^{44}$J. พวกเขาอาจสร้างหลุมดำหรืออาจเป็นดาวนิวตรอนขนาดใหญ่กว่า นอกจากนี้ยังจะมีลายเซ็นคลื่นความโน้มถ่วง ("เจี๊ยบ") ที่สามารถตรวจพบได้โดยการทดลองคลื่นความโน้มถ่วงรุ่นต่อไป (ตอนนี้กลายเป็นจริง) หลุมดำเหล่านี้อาจถูกแยกออกและดังนั้นจึงไม่ได้แสดงในการกระจายมวลด้านบน ลายเซ็นการสังเกตเพิ่มเติมของเหตุการณ์เหล่านี้อาจอยู่ในรูปของระดับปัจจุบันขององค์ประกอบ r-process จำนวนมากเช่นอิริเดียมและทองคำซึ่งส่วนใหญ่อาจเกิดขึ้นในเหตุการณ์เหล่านี้

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

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

อคติสังเกตก็คือว่าสหายไปยังหลุมดำมวลต่ำสุดในระบบดาวคู่อาจจะเสมอล้นแฉก Roche ของพวกเขา ลายเซ็นการเพิ่มผลลัพธ์จะเพิ่มสเปกตรัมคู่หูและป้องกันการประมาณค่าพลวัต (เช่นFryer 1999 ) การสำรวจกระเพื่อมของจันทรากาแลกติก กำลังพยายามหาตัวอย่างของความนิ่งความส่องสว่างของเอ็กซ์เรย์ที่ค่อนข้างต่ำซึ่งรวมถึงไบนารีขนาดกะทัดรัดซึ่งจะทำการวัดการกระจายตัวของหลุมดำที่เป็นกลางมากขึ้น

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