Frage:
Könnten Schwarze Löcher schwerere Elemente schmieden, die noch entdeckt werden müssen?
efreezy
2018-09-30 17:47:33 UTC
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Beobachtungen

    • Die schwersten Elemente, die in der Natur im Überfluss bekannt sind, werden tief in Sternen geschmiedet.

    • Diese Elemente werden durch die hohen Dichten / Drücke in den Sternen ermöglicht.

    • Schwarze Löcher haben bekanntermaßen eine viel höhere Dichte / einen viel höheren Druck als jeder bekannte Stern.

    • Schwarze Löcher sind auch als Phase der Sternentwicklung bekannt - Dies deutet darauf hin, dass der interne Prozess des ursprünglichen Sterns zum Schmieden von Metallen innerhalb des resultierenden Schwarzen Lochs bestehen bleibt.

    • Wissenschaftler haben synthetische / kurzlebige Schwermetalle unter Bedingungen geschmiedet, die hypothetisch in einem Schwarzen Loch aufrechterhalten werden könnten.

    Hypothese:

    Schwarze Löcher schmieden schwerere Elemente, die auf der Erde nicht beobachtet wurden. Die Bedingungen, die erforderlich sind, um diese Elemente aufrechtzuerhalten, sind aufgrund seiner hohen Dichte / Drücke für das Schwarze Loch einzigartig. Diese Bedingungen können gesehen, aber in keinem experimentellen Kontext aufrechterhalten werden.

    Anschlussfragen :

    • Wurde dies angenommen?

    • Wo finde ich Forschungsergebnisse zu diesem Thema?

Ich denke, Sie möchten wahrscheinlich eher in Neutronensterne als in Schwarze Löcher schauen. Der Kern eines Neutronensterns * ist * (sehr lose gesprochen) ein Kern eines sehr schweren Elements. Wie alle ausreichend schweren Elemente würde es normalerweise in einem Moment auseinander fliegen, wird aber durch seine eigene Schwerkraft und die Masse der Kruste des darauf gestapelten Neutronensterns zusammengehalten. Konzepte wie Dichte, Temperatur und Druck sind für einen Neutronenstern sinnvoll, für ein Schwarzes Loch jedoch nicht wirklich. Ich schlage vor, Sie lesen Kuppeln (z. B. auf Wikipedia) zu diesen Themen und kommen mit einer verfeinerten Frage zurück.
Wenn sie das taten, würden wir es nicht wissen.
Wenn Sie, wie in Ihrer Selbstantwort vorgeschlagen, an ursprüngliche schwarze Löcher denken, bearbeiten Sie bitte Ihre Frage, um dies zu verdeutlichen. Ansonsten verschwenden die Leute ihre Zeit damit, Ihnen die Sonnenmasse und schwerere Schwarze Löcher zu erklären.
Siehe https://physics.stackexchange.com/questions/7131/origin-of-elements-heavier-than-iron-fe
Ich fürchte, Sie sind in die Falle von "Alle A sind B, wenn also A A Ursache C ist, muss alles A C verursachen" geraten, was natürlich nicht wahr ist.
Carl - danke für das Feedback, aber es ist nicht sofort klar, was A und C in Ihrer Analogie sind. Infolgedessen kann nicht festgestellt werden, was Sie zu der Annahme veranlasst, dass "Alle A C verursachen müssen".
@Ben Crowell Vielen Dank für das Feedback - aber ich bin mit Ihnen nicht einverstanden. Ich glaube nicht, dass andere ihre Zeit verschwenden würden. Sie würden vielmehr zu unserem kollektiven Verständnis beitragen. Denken Sie daran, dies war meine erste Frage, die im Astronomy Stack-Austausch veröffentlicht wurde. Diese Frage hat Wert - und hat einige interessante Gespräche ausgelöst. Bitte erwägen Sie einen Community-orientierten Ansatz. Bemühen Sie sich, andere zu ermutigen, und halten Sie sich an einen höheren ethischen Standard.
Drei antworten:
James K
2018-09-30 20:45:25 UTC
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Die schwersten Elemente, die in der Natur bekannt sind, werden tief in Sternen geschmiedet.

Nein, die schwersten Elemente werden auf der Erde in wissenschaftlichen Labors oder in der extremen Schwerkraft eines Neutrons hergestellt Sternkruste.

Diese Elemente werden durch die hohen Dichten / Temperaturen / Drücke in den Sternen ermöglicht.

Viele der größeren Elemente können in Supernovae und Neutronen hergestellt werden Sternenkollisionen, nicht in Sternen. Die Bildung dieser Elemente erfordert extreme Bedingungen.

Schwarze Löcher haben bekanntermaßen eine viel höhere Dichte / Temperatur / Druck als jeder bekannte Stern.

Schwarze Löcher sind tatsächlich sehr kalt, sie "absorbieren" jede Strahlung, die ihren Ereignishorizont passiert. Außerhalb des Ereignishorizonts kann es sich um sehr heißes Material handeln, aber es ist im Vergleich zum Kern eines Sterns nicht so heiß.

Schwarze Löcher sind auch als Phase der Sternentwicklung bekannt - dies legt nahe, dass der interne Prozess des ursprünglichen Sterns, Metalle zu schmieden, innerhalb des resultierenden Schwarzen Lochs bestehen bleibt.

Nein, innerhalb des Schwarzen Lochs fällt alles und erreicht in kurzer Zeit eine Singularität.

Wissenschaftler haben synthetische / kurzlebige Schwermetalle unter Bedingungen geschmiedet, die hypothetisch in einem Schwarzen Loch aufrechterhalten werden könnten.

Wie oben sind die Bedingungen jenseits des Ereignishorizonts anders als alles, was wir auf der Erde haben, weil es die unvermeidliche Singularität gibt.

Nachdem eine Materie den Ereignishorizont überschritten hat, wird sie sicherlich zur Singularität kommen. (auf die gleiche Weise, wie Sie es sicherlich morgen erreichen werden) Und wenn es näher kommt, werden die Gezeiteneffekte größer und reißen schließlich die Atome auseinander. Die extreme Schwerkraft in einem Schwarzen Loch neigt dazu, Materie auseinander zu ziehen, ohne sie mit größeren Atomen zu verschmelzen.

In der Akkretionsscheibe kann sich um ein Schwarzes Loch eine Nukleosynthese befinden. Während die Menge der hier hergestellten Atome mit hoher Masse relativ gering ist, kann sie nützlich sein, um Schwarze Löcher von Neutronensternen oder Weißen Zwergen zu erkennen und zu unterscheiden.

Es kann auch erwähnenswert sein, dass wir nicht wissen, was bei einer Singularität passiert, weil sie sich alle in schwarzen Löchern befinden, in die wir nicht sehen können. (Wir können vorhersagen, aber unsere Vorhersagen basieren auf Modellen, die nicht mit Daten aus Singularitäten entworfen wurden.)
Fast eine vollständige Antwort ;-), aber es lohnt sich, die Prämisse des OP zu kommentieren, dass "Schwarze Löcher bekanntermaßen eine viel höhere Dichte / einen viel höheren Druck haben als jeder bekannte Stern". Ein supermassives BH kann eine geringere Dichte als Wasser haben.
Ich habe nie verstanden, dass Sterne nur Atome zu Eisen machen können. Sollte es nicht auch eine Chance geben, Atome mit höherem Gewicht zu produzieren? Quantenunsicherheit und Thermodynamik und all das ...
@Mehrdad Aber warum ... Es kann sicherlich passieren, aber es wird nicht dauern. Eis erscheint nicht spontan in einem kochenden Kessel, selbst wenn es KANN. Eisen ist das Element, bei dem Sie weder durch Fusion noch durch Spaltung Energie gewinnen. Es ist das endgültige Ziel für jedes nukleosynthetische Gleichgewicht. Nur bei Nichtgleichgewichtsprozessen finden Sie Elemente, die schwerer als Eisen sind (d. H. Heftige Explosionen oder speziell entwickelte Partikelstrahlen ...).
@StianYttervik: Das ist nicht wie Eis in einem kochenden Kessel, oder? Ich stelle mir vor, es gibt bestimmt einige Atome, die sich schnell genug bewegen, um zu etwas Schwerem als Eisen zu verschmelzen. Und sobald dies geschieht, muss das Ergebnis nicht mehr unbedingt verfallen, sodass es von Dauer ist. Vermisse ich etwas
@mehrdad Wenn sich die Atome schnell genug bewegten, um zu fusionieren, bewegt sich das resultierende Atom auch schnell genug, um eine Spaltung zu erfahren. Nicht dass "sich schnell genug bewegen" die richtige Beschreibung ist, sondern dass Sie Ihre Worte zum Verständnis verwenden
@Stian: Ich kann nicht sagen, dass ich Ihre Logik verstehe. Klingt es so, als würden Sie Statistiken völlig ignorieren? Nur weil sich zwei Atome gelegentlich schnell genug bewegen, um zu geben, bedeutet dies nicht, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein drittes Atom das Produkt wieder aufbricht, bei 100% liegt.
@Mehrdad, weil es nicht wahr ist. https://physics.stackexchange.com/questions/7131/origin-of-elements-heavier-than-iron-fe
@StianYttervik Elemente, die schwerer als Eisen sind, werden in Sternen gebildet (bekannt seit den 1950er Jahren). Der Grund, warum sie sich nicht durch Fusion bilden, besteht darin, dass sie bei den Temperaturen, die zum Tunneln durch die Coulomb-Barriere erforderlich sind, auch anfällig für Photozersetzung sind. Keine Spaltung.
@Robjeffries guter Punkt. Es gibt Prozesse, die sich im Gleichgewicht befinden. Sie benötigen irreversible Bedingungen, um an Eisen vorbeizukommen. Besser?
@StianYttervik müssen Sie über den S-Prozess lesen. Kein Problem, Neutronen an Kerne zu binden.
Vielleicht sollten wir sagen: "Und Ihre Partikelbestandteile werden morgen erreicht."
Ben Crowell
2018-10-01 07:04:55 UTC
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Superschwere Elemente haben aufgrund ihrer extremen Instabilität in Bezug auf Alpha-Zerfall und Spaltung kurze Halbwertszeiten. Dies ist ein Ergebnis ihrer hohen elektrischen Ladung, die zu starken elektrischen Abstoßungskräften führt. Obwohl Theoretiker aufgrund quantenmechanischer Schaleneffekte eine "Insel der Stabilität" vorhergesagt haben, ist diese Stabilität eine relative Sache. Wir sprechen immer noch über Halbwertszeiten in der Größenordnung von Sekunden oder weniger. Ein solches Element, das durch astrophysikalische Prozesse erzeugt wird, wird also nicht sehr lange überleben, selbst wenn es nicht in das Schwarze Loch fällt.

Es ist also denkbar, dass Sie sich außerhalb des Ereignishorizonts auf der Akkretionsscheibe befinden Fusionsereignisse, die zur Bildung superschwerer Elemente führen, aber diese Elemente würden nicht sehr lange überleben, selbst wenn sie irgendwie ausgeworfen würden, anstatt über den Horizont hinaus zu fallen. Und die normalen Methoden zur Erkennung und Charakterisierung superschwerer Elemente würden hier nicht funktionieren. Normalerweise suchen wir nach Dingen wie Alpha-Zerfallsketten mit charakteristischen Alpha-Energien. Diese wären von außerhalb der Akkretionsscheibe nicht nachweisbar, da geladene Teilchen stark mit Materie interagieren und gestoppt werden.

Die Bedingungen, die zur Aufrechterhaltung dieser Elemente erforderlich sind, sind aufgrund ihres hohen Niveaus für das Schwarze Loch einzigartig Dichte / Drücke.

Der größte Teil des Inneren eines Schwarzen Lochs (innerhalb des Ereignishorizonts) ist wahrscheinlich ein extrem gutes Vakuum. Die einzigen hohen Dichten und Drücke wären nahe der Singularität. Eine exotische Materie, die bei hohen Dichten und Drücken gebildet wird, wäre von der Erde aus nicht beobachtbar oder hätte keine Konsequenzen für das äußere Universum, da nichts aus dem Ereignishorizont entweichen kann.

Wenn wir eine Raumsonde in ein Schwarzes Loch schicken würden, um nach exotischer Materie in der Nähe der Singularität zu suchen, könnte die Sonde ihre Ergebnisse nicht zurückmelden. Außerdem würde der Bereich von hochdichtem und unter hohem Druck stehendem Material in der Nähe der Singularität existieren, was für die Sonde wahrscheinlich nicht nachweisbar wäre, bis die Sonde selbst durch dieselben Prozesse zerstört worden wäre. (Wenn auf der Innenseite eines Schwarzen Lochs die allgemeine Relativitätstheorie korrekt ist, können Sie die Singularität nicht sehen. Sie sehen nur von außen infallierende Photonen.)

Wenn sich in der Nähe der Singularität exotische Materie bildet, ist dies der Fall wird nur für eine sehr kurze Zeit existieren, bevor es zur Singularität kommt. (IIRC Die maximale Infallzeit für ein Schwarzes Loch mit 10 Sonnenmassen liegt in der Größenordnung von Millisekunden vom Horizont bis zur Singularität.) Wir wissen nicht wirklich, was bei der Singularität passiert, aber wir können sicherlich keine Atomkerne darunter haben Bedingungen.

Millisekunden von welchem ​​Bezugsrahmen?
@Michael: Millisekunden der richtigen Zeit, d. H. Die Zeit auf einer Uhr, die entlang dieser Trajektorie infalliert. Die richtige Zeit für den freien Fall vom Horizont zur Singularität für ein Schwarzschild-Schwarzes Loch entspricht dem Schwarzschild-Radius über $ c $, multipliziert mit einer einheitlosen Konstante der Ordnungseinheit. (Der genaue Wert der Konstante ohne Einheit hängt vom Bewegungszustand ab, wenn Sie den Ereignishorizont passieren. Ausgehend von der Ruhe am Horizont ist nur im Sinne einer Grenze möglich.)
peterh - Reinstate Monica
2018-09-30 18:26:08 UTC
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Das Problem der superschweren Elemente ist nicht, dass wir sie nicht schmieden können. Ihr Problem ist, dass sie sehr schnell verfallen. Zum Beispiel hat Oganesson, das schwerste bisher synthetisierte Element, eine Halbwertszeit von 181 ms.

Theoretisch könnten in Teilchenbeschleunigern sogar viel schwerere Elemente erzeugt werden, aber dort ist nicht einmal möglich, sie zu erkennen.

In Neutronensternen oder in explodierenden Supernovae werden alle Elemente erzeugt, aber es gibt keine Möglichkeit, sie überhaupt zu erkennen. Wir können einen Neutronenstern als einen großen Kern mit $ \ ca. 10 ^ {56} $ span> Neutronen betrachten. 1 sup>

In Schwarzen Löchern weiß niemand, was in ihnen ist. Sie strahlen nichts aus (mit einer sehr kleinen Ausnahme) und nichts hinterlässt die Singularität in ihnen. Um zu verstehen, was in ihnen steckt, wären derzeit unrealistische Fortschritte in der Physik erforderlich. Die Singularität in ihrem Zentrum ist wahrscheinlich keine baryonische Materie, daher können wir kaum sagen, dass es sich um ein chemisches Element handelt.

1 sup> Wie @ PM2Rings ausgezeichneter Kommentar sagt, haben Neutronensterne auch eine signifikante Anzahl anderer Teilchen, nicht nur Neutronen. Ich erweitere es auch, dass sie gravitativ gebunden sind und nicht durch die starke Wechselwirkung, was sie in diesem Aspekt wesentlich von Kernen unterscheidet. Sub>

Vielen Dank für Ihre Perspektive - es gibt eine kleine Fehlinterpretation, die ich besser klären sollte. Ich habe nicht vorgeschlagen, dass wir ein Problem beim Schmieden der schwereren Metalle haben. Ich stellte die Hypothese auf, dass Schwarze Löcher schwerere Elemente schmieden, die noch nicht beobachtet wurden. Ich schlug auch vor, dass die inneren Prozesse des Schwarzen Lochs am besten durch die des vorhergehenden Sterns informiert werden könnten, nämlich den Prozess des Schmiedens von Schwermetallen. Ich fragte dann, ob dies bereits angenommen wurde, und um Hinweise auf bestehende Forschungsergebnisse.
@efreezy Ok, aber 1) niemand weiß, was die Singularität der BHs bewirkt. Die aktuellen Theorien schätzen eine "String-Seife" in ihnen mit $ 10 ^ {19} $ größeren Energien als ein einzelnes Proton. Höchstwahrscheinlich ist nichts in ihnen, was eine baryonische Materie erzeugt. 2) BHs sind hauptsächlich statische Einheiten, die zumindest außerhalb des Ereignishorizonts betrachtet werden. Sie synthetisieren nichts, keine schweren Elemente, nichts. Kollidierende Schwarze Löcher erzeugen Gravitationswellen, und es gibt eine fast akzeptierte Theorie, dass sie auch eine vernachlässigbare Menge an Falkenstrahlung liefern (in der Größenordnung von 10 ^ {- 40} $ Watt).
@efreezy Nun, und die unfehlbare Materie in der Akkretionsscheibe erzeugt auch viele Photonen, hauptsächlich Gammastrahlen. Einige schwere Elementsynthesen können zwar in ihnen stattfinden, aber die erzeugten schweren Kerne sind sehr wenige und zerfallen sehr schnell in den Erdteilchenbeschleunigern.
@efreezy Wenn Sie nach der größten Anzahl von Schwerelementproduzenten des Universums suchen, finden Sie möglicherweise enge weiße, zwergenrote Riesen-Binärdateien. Dort saugt der WD die äußere Atmosphäre des roten Riesen an und oberhalb einer Grenze wird er zu einer Supernova und kollabiert zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch. Bei dieser Supernova-Explosion könnte eine große Menge an freier Neutronenmaterie aus dem Sternkern ausgestoßen werden, der sehr schnell zu einer Seife aller Elemente des Periodensystems zerfällt. Aber dieser Auswurf und dann Verfall geschieht so schnell, dass das, was wir in Teleskopen sehen können, nur eine klare Signatur von
@efreezy der großmassige Zerfall stark radioaktiver schwerer Elemente - eingebettet in das übliche Spektrum einer Supernova-Explosion. Ein Vergleich: Bei einer Supernova-Explosion geschieht der Hauptteil des Kernkollapses in Sekunden. Oganesson zerfällt in 0,2 Sekunden.
Vielen Dank an Peter, dass er sich damit befasst und diese konzeptionellen Ergänzungen anbietet. Ich habe das Ergebnis meiner Frage und Ihr Feedback im Antwortbereich unten zu einer kurzen Antwort zusammengefasst.
Ich denke du meinst "Suppe", nicht "Seife". FWIW, ein Neutronenstern sind keine reinen Neutronen. Es wird angenommen, dass sie eine Schichtstruktur mit einer äußeren Kruste haben, die aus relativ normalen schweren Atomen besteht, die in eine Mischung aus solchen Nukleonen und Neutronium, reinem Neutronium und möglicherweise etwas exotischem Quark im Kern übergehen. Aber auch reines Neutronium besteht * nicht * nur aus Neutronen. Es ist eine dynamische Substanz, die auch einige Protonen (und Elektronen) enthält, wobei die Protonenkonzentration je nach Druck zwischen 10% und 1% liegt.
@PM2Ring Dank der Grammatikkorrekturen kann ich meine Kommentare leider nicht mehr bearbeiten. :-( Danke auch an die wichtigen Erweiterungen.
Praktisch jeder Satz dieser Antwort enthält Fehler. * Das Problem der superschweren Elemente ist nicht, dass wir sie nicht schmieden können. Ihr Problem ist, dass sie sehr schnell verfallen. * Nein, das Problem ist, dass wir sie nicht fälschen können. Uns fehlen geeignete Strahl-Ziel-Kombinationen, und die Querschnitte sind extrem klein. * Zum Beispiel hat Oganesson, das schwerste bisher synthetisierte Element, eine Halbwertszeit von 181 ms. * Dies wäre ein Isotop dieses Elements. Die Halbwertszeit ist eine Eigenschaft des Isotops, nicht des Elements.
* Theoretisch könnten in Teilchenbeschleunigern sogar viel schwerere Elemente erzeugt werden, aber es gibt keine Möglichkeit, sie überhaupt zu erkennen. * Nicht wahr. Superschwere Elemente sind nach ihrer Bildung oft sehr leicht zu erkennen. Typischerweise können die Rückstoßkerne aus dem Ziel zu einem Detektor fliegen, der Alpha-Zerfälle erkennt. * In Schwarzen Löchern ist die Tatsache, dass niemand weiß, was in ihnen ist. * Ich denke, das hängt davon ab, was Sie mit "wissen" meinen. Wir haben sicherlich Theorien, die dies vorhersagen können. Die Region innerhalb des Ereignishorizonts ist jedoch kausal vom äußeren Universum getrennt.
* Nichts verlässt die Singularität in ihnen. * Relevanter ist, dass nichts über den Ereignishorizont hinausgeht. * Die Singularität in ihrem Zentrum ist wahrscheinlich nicht aus baryonischer Materie, hart, daher können wir kaum sagen, dass es sich um ein chemisches Element handelt. * Nein, es wird erwartet, dass die Singularität fast ihre gesamte Masse aus baryonischer Materie stammt.
@BenCrowell Praktisch jeder Satz in diesem Beitrag ist eine Vereinfachung, da die Fragestellung deutlich gemacht hat, dass das OP eine Antwort auf seine Frage wünscht und kein von mir vor Ort geschriebenes Buch. Praktisch jeder Satz in Ihrem Kritiker ist wahr und falsch, wenn Sie diese nicht wesentlichen Vereinfachungen als wesentliche Fehler interpretieren. Ja, alles, was Sie sagen, ist wahr - und alles, was Sie sagen, spielt eine nicht wesentliche Rolle in der Antwort. Wenn Sie der Meinung sind, dass das OP einen langen Aufsatz benötigt, der alles auf seinem scheinbaren Wissensstand erklärt, dann schlage ich vor, diesen langen Aufsatz und Beitrag zu schreiben
@BenCrowell Nun, das ist eine wesentliche Fehlinterpretation von Ihrer Seite: * "Nein, es wird erwartet, dass die Singularität fast ihre gesamte Masse aus baryonischer Materie stammt." * <- Bei der Frage geht es nicht darum, was die Singularität ist Ursprünglich geht es um die Frage, ob "schwere Elemente geschmiedet werden" (Formulierung durch das OP).
Sie sagen in Ihrem Kommentar: "WD saugt die äußere Atmosphäre des roten Riesen an und wird oberhalb einer Grenze zu einer Supernova und kollabiert zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch." Dies ist ungenau: Typ Ia SNE erstellt keine solchen Überreste; Die Explosion stört den Stern vollständig.


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