質量正好介於黑洞和中子星之間的天體是怎樣的?

本問題的前提是黑洞內部結構不嚴格遵守廣義相對論,而需要用某種量子引力理論修正廣義相對論。在此前提下,引力奇點不存在,黑洞無毛定理不成立。

我們知道黑洞的事件界面大小取決於黑洞的質量。當一顆中子星的質量大到剛剛足以成為黑洞的臨界點時,這個黑洞的事件界面是否可以小到位於中子星內部?這樣的天體是否穩定?

大多數黑洞或中子星都是在超新星爆發時一次性炸出來的。但是如果一次超新星爆發形成了中子星,然後這顆中子星慢慢吸積氣體塵埃成黑洞。那麼,當中子星的質量大到中子星上的逃逸速度超過光速時,會怎樣?


感謝邀請,剛看到

這個問題我沒覺得我看懂了所以先說一下我的理解你看看能不能接受,之後寫一個按照我的理解修改後的問題的一個回答

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之所以要修改一下問題本身,是因為目前問題的表述可以有歧義,我來一點點解釋

首先黑洞,按照是否關心觀測現象,黑洞至少分三種:

一種存在於數學專業,關鍵詞是度規,各種幾何

一種存在於純理論物理,關鍵詞是霍金輻射,熵,無毛定理,一切都是穩態的甚至球形的

一種存在於天體物理,關鍵詞是吸積,最小穩定圓軌道半徑,引力能釋放,此時有些關於觀測的討論

這三種黑洞可以各玩各的,一是因為注意力不在一個點上,一個是因為操作手法上,前兩種黑洞也許有些共通的東西,到第三種黑洞的時候,除了處理 物質被吸積到黑洞視界面附近 的物理現象的時候外,連廣義相對論都用不到

當然這三種黑洞不是沒有交集的,很多做過第二種黑洞的科學家也做過第三種黑洞,比如錢德拉,zeldovich,等等這也沒什麼奇怪,今天下午上海天文台一個老師去ihep理論室講黑洞吸積,算是第三種黑洞跟第二種黑洞講吸積,交流還是有的

但是我們仍然能看出點區別,那就是前兩種黑洞是一個定義,用質量算出一個半徑,當質量分布在這個半徑內的時候,就黑洞了,對吧,大家都這麼學的,那麼怎麼把質量弄到這個半徑內呢,要有點壓力

前兩種黑洞不用關心這個壓力是誰給的就能向下討論,各種計算,黑洞質量只是討論過程中的一個參數,黑洞質量不同不會引起什麼現象的不同,但是中子星的質量是有上限,儘管各有各的結果,比如中子星自轉或者不轉,這個質量會有些許不通但是籠統的說這個質量上限在3個太陽質量左右

這樣以來中子星質量有個限制,黑洞質量沒什麼限制的話,"質量介於中子星和黑洞",這句話是什麼意思

好在從問題補充上來看,還是可以有點意思,也是為什麼我還是想說幾句相關的事情,那就是


考慮黑洞的起源的話,也是上面說的考慮一個能把質量壓到XX半徑內的過程的話,那會是個什麼過程?黑洞是一個瞬間形成的還是要從腹黑開始,一點點的吞噬,最後黑洞?

這是我能理解的這個問題關心的部分,至於"某種修改量子引力理論"的部分,由於沒說明白是哪種,我也想展開一下的,下次吧這個寫了快半小時了

簡單的說天體物理中的黑洞大量的等離子體,如果吸積的是一個等離子體,沒法一瞬間吸完,因為有愛丁頓極限的限制 Eddington luminosity 這個先不展開了,所以一定是有一個過程,中間是黑洞,外面有一些氣體發光發熱,所以是有的,不知道這樣回答算不算滿意,也許乾巴巴的回答個

挺沒勁的,下面是兩個有計算細節的例子,

另外天體物理中的黑洞是不得不說一句 這種黑洞是哪裡來的 的,好也可以不說,之所以會說這句話,是因為天體物理有這麼大的壓力做一個黑洞出來,比如超新星,比如中子星白矮星塌縮,併合,等等,這時候黑洞質量就有了限制:

如果黑洞是從恆星塌縮來的,由恆星本身的理論,也是非常漂亮的一套理論研究的結果就是恆星如果小於0.7 還是0.5 個太陽質量的時候這種恆星演化的結局是漸漸冷卻成矮星,一個氣團,涼了,此時沒什麼黑洞產出,因為壓力不夠

質量大一些的恆星能有個紅巨星超新星什麼的過程,生成白矮星中子星或者直接是個黑洞,算下來的結局是黑洞質量大約一個太陽質量或者更大,但大不了兩個量級因為恆星質量也有個上限,源於其能量的供給方式,這個事情以後再說

那麼在一個恆星或緻密星塌縮的過程中,就可能會出現中心已經生成是黑洞了表面還是恆星或緻密星的過程,直接的觀測認證方法我要想想再說,理論上有一個相關的工作叫做 Quasi-star ,是Begelman 前幾年做的一個模型,可以給我們一點參考:

觀測上認證了一批超大質量黑洞候選體,廣泛存在於AGN中心 Active galactic nucleus 受目前望遠鏡的觀測手段所限,倒不是真的能看到一個黑糊糊的東西在星系中心,而是,借用某老師的話說,承認有一個黑洞存在,是解決所有各種相關觀測現象的,最經濟的方法

由於這種黑洞質量很大,天體物理又是一個講究演化過程的學科,自然要說怎麼形成這麼大的質量,也的確想出來了一些辦法這個以後再說

這裡想說是 quasi-star 這個模型,10的六次方太陽質量大一團氣體中心已經形成黑洞了,外面還是氣體,具體計算在

http://arxiv.org/abs/0910.4398 更早的工作是 http://arxiv.org/abs/0711.4078,我先看的是09年這個文章所以放前面了,放兩片文章鏈接不是要設定個門檻,而是想給前面貌似胡扯的一些內容一個論據

另一個例子可能不夠準確但想起來了就也寫在這裡叫做吸積盤 Accretion disc 這個是說氣體被黑洞吸積,迫於角動量限制形成一個氣體盤,圍著黑洞轉,現有的根據觀測的推測

1,這個天體的尺度在幾千許瓦茲半徑左右,看不清楚,

2,如果能看清楚,這東西看起來也是中心是黑洞,外面有些氣體

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先寫到這裡吧,我不清楚是不是搞明白了你關心的問題,也不確定是不是回答了你的疑問,我現在覺得我就是想說說話

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20131115補充

我承認這是很尷尬的:我看到這個問題的時候,問題有兩段話,第一段和現在這個問題一樣,第二段和後三段無關,保險起見我把 現在 這個問題的樣子抄在這裡,以免問題再次變故,導致文不對題

之後過幾天把這個回答刪掉,因為儘管我沒看懂問題,這個回答在這裡,彷彿是一句無關的話

本問題的前提是黑洞內部結構不嚴格遵守廣義相對論,而需要用某種量子引力理論修正廣義相對論。在此前提下,引力奇點不存在,黑洞無毛定理不成立。

我們知道黑洞的事件界面大小取決於黑洞的質量。當一顆中子星的質量大到剛剛足以成為黑洞的臨界點時,這個黑洞的事件界面是否可以小到位於中子星內部?這樣的天體是否穩定?

大多數黑洞或中子星都是在超新星爆發時一次性炸出來的。

但是如果一次超新星爆發形成了中子星,然後這顆中子星慢慢吸積氣體塵埃成黑洞。那麼,當中子星的質量大到中子星上的逃逸速度超過光速時,會怎樣?

我現在還是不覺得搞懂了問題,但是既然問題本身有些變故,就再補充兩句

1,關於黑洞無毛定理,我最近有些心得,有空了寫一下,主要結論就是這個定理是一個共識,沒有得到嚴格論證,現在還是有一波人在思考這個定理,有把握的情況是兩個性質可以描述球形穩態這種黑洞,當時我覺得真空中的球形雞那個段子是在暗諷這個定理

另外現在有點明白了第一段可能是為了避免奇點

2,可以小到位於內部,不穩定,黑洞引力會把外面的中子為主的物質吸進去

首先說一下中子星質量上限是怎麼得到的,傳統的解釋是用中子簡併壓

中子簡併壓對抗引力這個過程描述起來是分這幾步:

中子星質量很大並且排的很緊湊,中子,其實是說隨便什麼費米子,沒法同時佔據同樣的位置和東動量,

可惜了這個事情也是說來話長,簡單地說有點像是粒子往賓館裡住,每個粒子都要單人間,但是粒子數比房間數多於是就騷亂了就運動了就熱鬧了最後顯得很無規則運動,很像溫度很高的系統,溫度高了,數密度也不小於是壓強很大,也就是說的中子簡併壓,電子簡併壓,什麼什麼,這時候賓館老闆壓力也很大

數這種粒子的統計叫做XXXX統計,有了統計類型可以算佩芬函數算各種熱力學量,之後就能算出來一個壓強,這個壓強衡量的是有超過房間數的費米子騷亂能力

同時由於中子質量很大,中子星引力也不小於是引力要向內吸,壓縮中子,也源於這一壓縮是的房間不夠了中子才受不了才騷亂才用這種運動來抵抗引力

這樣就能算質量上限,如果是估算的話這種過程很簡單,也是常常被人講的結論

這樣就有個問題,引力和簡併壓的平衡是不是處處同時崩壞的,會不會,比如說,中心先崩壞並且形成了黑洞,而此時外面還是中子星還在吵吵嚷嚷的說沒房間了什麼的,殊不知大難臨頭呢

我是這麼想的:黑洞有時候被描述為,所有質量困在由質量定義的半徑以內的東西,那也可以反過來說一個半徑內的物質質量超過由半徑定義的質量,當這個半徑里的質量太多的時候,這個半徑內的,不管是什麼了吧,就淪為一枚黑洞

3,關於這個天體是否穩定,這個我也有話說,臨時有點事情,周末來補充可好


程誠師兄答案赫然在列,我就不敢多說了。不過師兄回答的比較零散,我說一下我的認識。
首先聲明,我不懂廣義相對論,吸積盤理論也和師兄差得遠,這裡只是拋磚引玉。

我也不確定我看懂了你的問題,你討論的似乎是中子星具體變成黑洞的過稱,具體來說就是吸積中子星變成黑洞或者天體並核。 我個人唯象的理解是這樣的,隨著中子星的質量增大,直到一個時刻,中子星外部的簡併壓無法抵抗引力,導致其向內塌縮。這種收縮,會導致簡併壓更加不抵引力,導致塌縮越來越嚴重,最終變成黑洞。 我們簡單一點,考慮1.4倍太陽質量的中子星,而且初始沒有轉動。這種中子星的半徑是10km左右,而最終產生的黑洞視界應該在6km左右。 而中子星的從半徑10km開始收縮,直到退到6km成為黑洞,這期間極為短暫的時間也許和你想看到的中間是黑洞,外面是中子星的情況比較像。這個構架是不夠穩定的。當然這裡面有個問題是,這時候中子星裡面的黑洞視界是如何增長的。
另外一個假設是,中子星是奇夸克構成的(或者其他奇奇怪怪的狀態方程吧),是個夸克星。據我所知,夸克星是自引力束縛的,如何塌縮成黑洞我不清楚,如果你有機會,去向北大的徐仁新老師請教吧。

包裹在黑洞外的東西,要想穩定地不被黑洞吃進去,最好的辦法是旋轉起來,就是上邊師兄提到的吸積盤。依靠某種簡併壓來維持穩定,恐怕比較困難。這樣的東西目前還沒有觀測到,而且感覺即使有,也不大容易被觀測到,未來10年內也難以精確定出緻密天體的半徑和質量 。


中子星的最大重量, 比黑洞的最小重量, 要重.

所以, 對於一系列質量的天體, 由於初始形成條件不同, 而不光是質量, 可能形成中子星, 可能形成黑洞, 也有其他形態,

至於有人說的夸克星, 未必是穩態系統, 也就是說, 在爆炸動態過程中, 可能存在, 但是尚未發現穩定的狀態.

數學上有很多可能的特殊穩態,但是天文中尚未發現.

也存在一些數學上解釋不了的狀態, 但是天文中有發現.


應該是夸克星,這種夸克星是有報道探測到過


什麼叫質量正好介於黑洞與中子星?題主是想說密度嗎?


夸克星


處於一個糾纏態,就和薛定諤的貓一樣,任何一個干擾都會打破這個糾纏態。


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