Comment une étoile à neutrons s'effondre-t-elle dans un trou noir?

Nous connaissons les explosions spectaculaires de supernovae qui, lorsqu'elles sont suffisamment lourdes, forment des trous noirs. L'émission explosive de radiations électromagnétiques et de quantités massives de matière est clairement observable et étudiée de manière approfondie. Si l'étoile était assez massive, le reste sera un trou noir. Si ce n'était pas assez massif, ce serait une étoile à neutrons.

Il existe maintenant un autre mode de création de trous noirs: l'étoile à neutrons capture suffisamment de matière, ou deux étoiles à neutrons se heurtent et leur masse combinée crée suffisamment de force de gravité pour provoquer un autre effondrement - dans un trou noir.

Quels effets sont associés à cela? Existe-t-il un dégagement explosif de radiations ou de particules? Est-ce observable? Quels processus physiques se produisent dans les neutrons lorsqu'ils sont soumis à l'augmentation critique de la pression? Quelle est la masse du nouveau trou noir par rapport à son étoile à neutrons d'origine?

Une étoile à neutrons doit avoir une masse minimale d’au moins 1,4 fois la masse solaire (c’est-à-dire 1,4 fois la masse de notre Soleil) pour devenir au départ une étoile à neutrons. Voir la limite de Chandrasekhar sur wikipedia pour plus de détails.

Une étoile à neutrons se forme lors d'une supernova , l'explosion d'une étoile d'au moins 8 masses solaires.

La masse maximale d'une étoile à neutrons est de 3 masses solaires. Si cela devient plus massif que cela, alors il va s'effondrer dans une étoile à quartz , puis dans un trou noir.

Nous savons que 1 électron + 1 proton = 1 neutron;

1 neutron = 3 quarks = quark up + quark down + quark down;

1 proton = 3 quarks = quark up + quark up + quark down;

Une supernova résulte en une étoile à neutrons (entre 1,4 et 3 masses solaires), une étoile en quark (environ 3 masses solaires) ou un trou noir (supérieur à 3 masses solaires), qui est le noyau effondré restant de l'étoile.

Au cours d'une supernova, la majeure partie de la masse stellaire est projetée dans l'espace, formant des éléments plus lourds que le fer qui ne peuvent pas être générés par la nucléosynthèse stellaire, car au-delà du fer, l'étoile a besoin de plus d'énergie pour fondre les atomes qu'elle ne récupère.

Lors de l'effondrement de la supernova, les atomes du noyau se décomposent en électrons, protons et neutrons.

Dans le cas où la supernova donne un noyau d'étoile à neutrons, les électrons et les protons du noyau sont fusionnés pour devenir des neutrons. L'étoile à neutrons nouvellement née, d'un diamètre de 20 km, contenant entre 1,4 et 3 masses solaires, ressemble à un noyau atomique géant. ne contenant que des neutrons.

Si la masse de l'étoile à neutrons est alors augmentée, les neutrons dégénèrent, se décomposant en leurs quarks constitutifs, l'étoile devient alors une étoile à quarks; une nouvelle augmentation de la masse entraîne un trou noir.

La limite de masse supérieure / inférieure pour une étoile à cône n'est pas connue (ou du moins je ne l'ai pas trouvée). En tout cas, il s'agit d'une bande étroite entourant 3 masses solaires, ce qui correspond à la masse stable minimale d'un trou noir.

Lorsque vous parlez d'un trou noir avec une masse stable (au moins 3 masses solaires), il est bon de considérer qu'ils se déclinent en 4 saveurs: chargée en rotation , en rotation non chargée, en rotation non chargée, en rotation non chargée en rotation .

Ce que nous verrions visuellement lors de la transformation serait un flash de radiation dur. En effet, lors de l’effondrement, les particules présentes à la surface ou à proximité de la surface ont le temps d’émettre un rayonnement puissant lorsqu’elles se fragmentent avant de pénétrer dans l’horizon des événements. cela pourrait donc être l’une des causes des sursauts gamma (GRB).

Nous savons que les atomes se décomposent en protons, neutrons, électrons sous pression.

Sous plus de pression, les protons et les électrons se combinent pour former des neutrons.

Sous encore plus de pression, les neutrons se décomposent en quarks.

Sous davantage de pression, les quarks se décomposent peut-être en particules plus petites.

En fin de compte, la plus petite particule est une chaîne : une boucle ouverte ou fermée, et a une longueur de Planck, qui est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à un quark. Si une chaîne est agrandie de façon à avoir une longueur de 1 millimètre, un proton aurait un diamètre qui s’ajusterait parfaitement entre le Soleil et Epsilon Eridani, à 10,5 années lumière; c'est la grosseur d'un proton comparée à une chaîne, vous pouvez donc imaginer qu'il existe peut-être pas mal de choses intermédiaires entre les quarks et les chaînes.

Actuellement, il semble que plusieurs décennies supplémentaires seront nécessaires pour comprendre toutes les mathématiques de la théorie des cordes. S'il existe quelque chose de plus petit que des chaînes, une nouvelle théorie sera nécessaire, mais jusqu'à présent, la théorie des cordes semble bonne; voir le livre Elegant Universe de Brian Greene.

Une chaîne est une énergie pure et Einstein a déclaré que la masse était simplement une forme d'énergie. L'effondrement dans un trou noir détruit réellement la structure d'énergie qui donne l'apparence de particules de masse / matière / baryonique et laisse la masse dans sa forme la plus simple. forme, cordes ouvertes ou fermées, c’est-à-dire de l’énergie pure liée par la gravité.

Nous savons que les trous noirs (qui ne sont pas vraiment des trous ou des singularités, car ils ont une masse, un rayon, une rotation, une charge et donc une densité qui varie avec le rayon) peuvent s’évaporer , abandonnant toute leur masse sous forme de rayonnement, prouvant ainsi ils sont réellement de l'énergie. L'évaporation d'un trou noir se produit si sa masse est inférieure à la masse minimale d'un trou noir stable, qui est de 3 masses solaires; l' équation du rayon de Schwarzschild vous dit même à quoi le rayon d'un trou noir a sa masse, et inversement.

Ainsi, vous pouvez transformer tout ce que vous voulez, comme votre crayon, en un trou noir si vous le souhaitez, et vous pouvez le compresser à la taille requise pour qu'il devienne un trou noir. c'est juste qu'il se transformerait immédiatement (s'évaporerait) complètement en un éclair de radiation dure, car un crayon est inférieur à la masse du trou noir stable (3 masses solaires).

C'est pourquoi l'expérience du CERN n'aurait jamais pu créer un trou noir pour avaler la Terre - un trou noir subatomique, même avec la masse de la Terre entière, ou du Soleil, s'évaporerait avant d'avaler quoi que ce soit; il n’ya pas assez de masse dans notre système solaire pour faire un trou noir stable (3 masses solaires).

Un moyen simple pour une étoile à neutrons de devenir plus massive afin de pouvoir se transformer en trou noir consiste à faire partie d'un système binaire, où il est suffisamment proche d'une autre étoile pour que l'étoile à neutrons et sa paire binaire se mettent en orbite. , et l’étoile à neutrons siphonne le gaz de l’autre étoile , gagnant ainsi en masse.

Voici un beau dessin montrant exactement cela.

La matière tombant dans un trou noir est accélérée vers la vitesse de la lumière. Au fur et à mesure de son accélération, la matière se décompose en particules subatomiques et en radiations dures, c'est-à-dire rayons X et gamma. Un trou noir lui-même n'est pas visible, mais la lumière de la matière infiltrée qui est accélérée et décomposée en particules est visible. Les trous noirs peuvent également causer un effet de lentille gravitationnel sur la lumière des étoiles / galaxies de fond.

Juste pour se concentrer sur une partie de votre question. S'il est possible qu'une étoile à neutrons accumule du matériau ou que deux étoiles à neutrons se heurtent pour former des trous noirs, ce type d'événement doit être assez rare (bien que voir ci-dessous).

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

$2.83M_{\odot}$

$\sim 10^{44}$J. Ils peuvent produire un trou noir, ou peut-être une étoile à neutrons plus massive. Il y aura également une signature d'onde gravitationnelle (un "pépiement") qui pourrait être détectée par la prochaine génération d'expériences sur les ondes gravitationnelles (maintenant une réalité). Ces trous noirs peuvent être isolés et donc non représentés dans la distribution de masse ci-dessus. Une autre signature observationnelle de ces événements peut être la forme actuelle d’un certain nombre d’éléments de processus r lourds, tels que Iridium et Gold, qui peuvent être principalement produits lors de ces événements.

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

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

Le biais d’observation est que les compagnons des trous noirs dans la masse la plus basse des systèmes binaires peuvent toujours déborder de leurs lobes de Roche. La signature d'accrétion résultante submerge le spectre associé et empêche une estimation dynamique de la masse (par exemple, Fryer, 1999 ). Le Chandra Galactic Bulge Survey tente de trouver des exemples de binaires compacts éclipsant, à luminosité faible, aux rayons X relativement faibles, permettant de mesurer une distribution de masse des trous noirs plus impartiale.

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