Co by się stało, gdyby ciało spadło w gwiazdę neutronową?

10

Znamy gwiazdy neutronowe jako bardzo masywny obiekt o niezwykle silnych siłach grawitacyjnych, które składają się głównie z neutronów.

Nie mogłem się nie zastanawiać, co by się stało, gdyby obiekt wpadł w gwiazdę neutronową, co się z nim stanie? Czy zmieni to również w neutrony? I czy będzie jakaś towarzysząca emisja promieniowania?

star gravity neutron-star

— Yoda
źródło

Gwiazdy neutronowe nigdzie nie są „złożone całkowicie z neutronów”. W skorupie jest dużo elektronów i najprawdopodobniej zewnętrzna powłoka całkowicie zjonizowanego żelaza. Więc wszystko, co trafi w tę kopertę, prawdopodobnie również zostanie w pełni zjonizowane, ale jakiej części (jeśli w ogóle) najprawdopodobniej ulegnie stopieniu z cięższymi pierwiastkami, nie jestem pewien, zwłaszcza, że najpierw zostanie rozerwana przez siły pływowe.

— Stan Liou

@StanLiou Dziękuję za zwrócenie uwagi, że odpowiednio zmodyfikuję pytanie.

— Yoda

@StanLiou: Biorąc pod uwagę, że uwalnianie energii na jednostkę masy w momencie uderzenia jest znacznie większe niż energia wiązania jądrowego na jednostkę masy impaktora, jonizacja i wiązania jądrowe są nieistotne. Wynik byłby taki sam, jakby obiekt był tylko zbiorem protonów i neutronów.

— Alexey Bobrick

5

Brak szczegółowych obliczeń, ale odpowiedź jakościowa: w zależności od trajektorii impaktora wyniki będą się nieco różnić, ale jasne jest, że energia potencjalna impaktora zostanie przekształcona w dużą ilość energii kinetycznej przed uderzeniem. Energia kinetyczna zostanie następnie przekształcona głównie w ciepło podczas uderzenia, przekształcając znaczną część masy impaktora w promieniowanie rentgenowskie i gamma.

Resztki impaktora zostaną przekształcone w plazmę, przy czym większość elektronów porusza się niezależnie od swoich wcześniejszych jąder i rozprasza się głównie w atmosferze (cienka warstwa o grubości kilku milimetrów) gwiazdy neutronowej. Energie będą wystarczająco wysokie, aby uruchomić syntezę jądrową, a także rozszczepienie, wraz z innymi reakcjami cząstek o wysokiej energii. Część energii zostanie przekształcona w pola magnetyczne, które mogą być również bardzo silne na gwiazdach neutronowych.

W przypadku małych impaktorów w pierwszej chwili nie należy się spodziewać mieszania z wnętrzem gwiazdy neutronowej ze względu na wysoką bezwładność i gęstość wewnętrznych części gwiazdy neutronowej.

W niektórych przypadkach uderzenie może spowodować zapadnięcie się gwiazdy neutronowej w czarną dziurę, w zależności od masy gwiazdy neutronowej i masy impaktora.

Więcej na temat wewnętrznej struktury gwiazd neutronowych na Wikipedii . („Materia spadająca na powierzchnię gwiazdy neutronowej byłaby przyspieszana do ogromnej prędkości przez grawitację gwiazdy. Siła uderzenia prawdopodobnie zniszczyłaby atomy składowe obiektu, czyniąc całą materię identyczną, pod wieloma względami, z resztą gwiazdy . ”)

Więcej informacji o granicy gwiazd neutronowych w Chandrasekhar .

— Gerald
źródło

5

Załóżmy, że to, co spada na gwiazdę neutronową, to „normalny” materiał - tj. Planeta, asteroida lub coś w tym rodzaju. Gdy materiał zmierza w kierunku gwiazdy neutronowej, zyskuje ogromną ilość energii kinetycznej. Jeśli założymy, że zaczyna się od nieskończoności, wówczas uzyskana energia (i zamieniona w energię kinetyczną) wynosi w przybliżeniu (ignorując GR) gdzie jest masa obiektu (która anuluje), a i są masą i promieniem gwiazdy neutronowej (przyjmijmy typowe wartości odpowiednio i 10 km).

\frac{1}{2} m v^{2} = \frac{G M m}{R},

$\frac{1}{2}m v^2 = \frac{GMm}{R},$

m

$m$

M

$M$

R

$R$

1.4 M_{⊙}

$1.4 M_{\odot}$

Powoduje to prędkość zbliżającą się do powierzchni gwiazdy neutronowej o wartości m / s - tj. Wystarczająco dużej, abyś musiał dokonać obliczeń przy użyciu mechaniki relatywistycznej. $1.9 \times 10^{8}$

Wątpię jednak, aby obiekt dostał się na powierzchnię w stanie nienaruszonym z powodu sił pływowych. Granica Roche za rozpad sztywnego przedmiotu występuje, gdy przedmiot znajduje się w odległości gdzie i to odpowiednio średnie gęstości naszej gwiazdy neutronowej i obiektu. W przypadku materiału skalistego kg / m . Dla naszej gwiazdowej neutronowej gwiazdy kg / m . Zatem gdy obiekt zbliży się niż km, rozpadnie się na swoje atomy składowe.

d = 1.26 R {(\frac{ρ_{N S}}{ρ_{O}})}^{1 / 3},

$d = 1.26 R \left(\frac{\rho_{NS}}{\rho_O}\right)^{1/3},$

ρ_{N S}

$\rho_{NS}$

ρ_{O}

$\rho_O$

ρ_{O} ≃ 5000

$\rho_O \simeq 5000$

^{3}

$^{3}$

ρ_{N S} ≃ 7 \times 10^{17}

$\rho_{NS} \simeq 7\times10^{17}$

^{3}

$^{3}$

d = 500, 000

$d= 500,000$

W ten sposób przybędzie w pobliżu gwiazdy neutronowej jako niezwykle gorący, zjonizowany gaz. Ale jeśli materiał ma nawet najmniejszy moment pędu, nie mógłby spaść bezpośrednio na powierzchnię gwiazdy neutronowej bez uprzedniego zrzucenia tego momentu pędu. Będzie zatem tworzyć (lub dołączać) dysk akrecyjny. Gdy pęd kątowy jest transportowany na zewnątrz, materiał może przesuwać się do wewnątrz, dopóki nie zostanie zaczepiony na polu magnetycznym gwiazdy neutronowej i dokona ostatecznej podróży na powierzchnię neutronu, prawdopodobnie przechodząc przez szok akrecyjny, gdy zbliża się do bieguna magnetycznego, jeśli obiekt jest już akrecyjnie silnie. Z grubsza kilka procent energii masy spoczynkowej jest przetwarzane na energię kinetyczną, a następnie ciepło, które jest częściowo osadzone w skorupie gwiazdy neutronowej wraz z materią (jądrami i elektronami) i częściowo wypromieniowane.

Przy wysokich gęstościach skorupy zewnętrznej surowiec (z pewnością jeśli zawiera wiele protonów) zostanie spalony w szybkich reakcjach jądrowych. Jeśli w krótkim czasie zgromadzi się wystarczająca ilość materiału, może to prowadzić do niekontrolowanego wybuchu termojądrowego, dopóki wszystkie lekkie elementy nie zostaną zużyte. Kolejne wychwyty elektronów sprawiają, że materiał staje się coraz bardziej bogaty w neutrony, dopóki nie ustabilizuje się w składzie równowagi skorupy, która składa się z jąder bogatych w neutrony i ultrarelatywistycznie zdegenerowanych elektronów (bez wolnych neutronów).

— Rob Jeffries
źródło