Гравитационный коллапс - Gravitational collapse
Гравитационный коллапс - это сжатие астрономического объекта из-за влияния его собственной гравитации , которая имеет тенденцию притягивать материю внутрь к центру тяжести . Гравитационный коллапс - фундаментальный механизм формирования структуры во Вселенной. Со временем первоначальное, относительно плавное распределение материи схлопнется, образуя очаги более высокой плотности, обычно создавая иерархию конденсированных структур, таких как скопления галактик , звездные группы, звезды и планеты .
Звезда рождается в результате постепенного гравитационного коллапса облака межзвездной материи . Сжатие, вызванное коллапсом, повышает температуру до тех пор, пока в центре звезды не произойдет термоядерный синтез , после чего коллапс постепенно останавливается, поскольку внешнее тепловое давление уравновешивает гравитационные силы. Тогда звезда находится в состоянии динамического равновесия . Как только все ее источники энергии будут исчерпаны, звезда снова схлопнется, пока не достигнет нового состояния равновесия.
Звездообразование
Межзвездное газовое облако будет оставаться в гидростатическом равновесии до тех пор, пока кинетическая энергия давления газа находится в равновесии с потенциальной энергией внутренней гравитационной силы . Математически это выражается с помощью теоремы вириала , которая гласит, что для поддержания равновесия гравитационная потенциальная энергия должна равняться удвоенной внутренней тепловой энергии. Если газовый карман достаточно массивен, чтобы давление газа было недостаточным, чтобы поддерживать его, облако подвергнется гравитационному коллапсу. Масса, выше которой облако подвергнется коллапсу, называется массой Джинса . Эта масса зависит от температуры и плотности облака, но обычно составляет от тысяч до десятков тысяч солнечных масс .
Звездные остатки
При так называемой смерти звезды (когда звезда исчерпает запас топлива) она подвергнется сжатию, которое можно остановить, только если она достигнет нового состояния равновесия. В зависимости от массы во время жизни эти звездные остатки могут принимать одну из трех форм:
- Белые карлики , в которых гравитации противостоит давление вырождения электронов
- Нейтронные звезды , в которых гравитации противостоит давление нейтронного вырождения и короткодействующие нейтронно-нейтронные взаимодействия отталкивания, опосредованные сильным взаимодействием.
- Черная дыра , в которой нет силы, достаточно сильной, чтобы противостоять гравитационному коллапсу
белый Гном
Коллапс ядра звезды до белого карлика происходит в течение десятков тысяч лет, в то время как звезда сдувает свою внешнюю оболочку, образуя планетарную туманность . Если у него есть звезда-компаньон , объект размером с белый карлик может аккрецировать материю от звезды-компаньона. Прежде чем он достигнет предела Чандрасекара (масса которого примерно в полтора раза больше массы нашего Солнца, и в этот момент снова начнется гравитационный коллапс), увеличение плотности и температуры внутри углеродно-кислородного белого карлика инициирует новый виток ядерного синтеза, который не регулируется, потому что вес звезды поддерживается вырождением, а не тепловым давлением, что позволяет температуре расти по экспоненте. Возникающая в результате детонация убегающего углерода полностью разносит звезду в сверхновую типа Ia .
Нейтронная звезда
Нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса ядер более крупных звезд и являются остатками сверхновых типов Ib , Ic и II . Ожидается, что нейтронные звезды будут иметь оболочку или «атмосферу» из нормальной материи толщиной порядка миллиметра, под которой они почти полностью состоят из плотно упакованных нейтронов (обычно называемых « нейтрониумом ») с небольшой пылью свободных электронов и протонов. смешанный. Эта вырожденная нейтронная материя имеет плотность ~4 × 10 17 кг / м 3 .
Появление звезд состоит из экзотического вещества и их внутренняя слоистая структура остается неясной , так как любое предложенное уравнение состояния из вырожденной материи является спекулятивным. Возможны и другие формы гипотетической вырожденной материи, и возникающие в результате кварковые звезды , странные звезды (тип кварковой звезды) и преонные звезды , если они существуют, по большей части были бы неотличимы от нейтронной звезды : в большинстве случаев В таких случаях экзотическая материя была бы спрятана под коркой «обычных» вырожденных нейтронов.
Черные дыры
Согласно теории Эйнштейна, для еще более крупных звезд, выше предела Ландау – Оппенгеймера – Волкова, также известного как предел Толмана – Оппенгеймера – Волкова (примерно в два раза больше массы нашего Солнца), ни одна из известных форм холодной материи не может обеспечить силу, необходимую для противодействовать гравитации в новом динамическом равновесии. Следовательно, коллапс продолжается, и ничто не может его остановить.
Как только тело коллапсирует в пределах своего радиуса Шварцшильда, оно образует так называемую черную дыру , то есть область пространства-времени, из которой не может выйти даже свет. Из общей теории относительности и теоремы Роджера Пенроуза следует, что последующее образование некоей особенности неизбежно. Тем не менее, согласно гипотезе космической цензуры Пенроуза , сингулярность будет ограничена горизонтом событий, ограничивающим черную дыру , поэтому внешняя область пространства-времени по-прежнему будет иметь правильную геометрию с сильной, но конечной кривизной, которая, как ожидается, будет развиваться в направлении довольно простая форма, описываемая исторической метрикой Шварцшильда в сферическом пределе и недавно открытой метрикой Керра, если присутствует угловой момент.
С другой стороны, природа сингулярности, которую следует ожидать внутри черной дыры, остается довольно спорной. Согласно теориям, основанным на квантовой механике , на более позднем этапе коллапсирующий объект достигнет максимально возможной плотности энергии для определенного объема пространства или планковской плотности (поскольку ничто не может его остановить). Это момент, когда была выдвинута гипотеза, что известные законы гравитации перестают действовать. Существуют конкурирующие теории относительно того, что происходит в этот момент. Например, петлевая квантовая гравитация предсказывает образование звезды Планка . Тем не менее, утверждается, что на этой стадии гравитационный коллапс прекращается, и поэтому сингулярность не образуется.
Теоретический минимальный радиус звезды
Радиусы нейтронных звезд с большей массой (около 2,8 солнечной массы) оцениваются примерно в 12 км, что примерно в 2,0 раза больше их эквивалентного радиуса Шварцшильда.
Можно подумать, что достаточно массивная нейтронная звезда может существовать в пределах своего радиуса Шварцшильда (1,0 SR) и выглядеть как черная дыра без сжатия всей массы до сингулярности в центре; однако это, вероятно, неверно. В пределах горизонта событий материя должна будет двигаться наружу быстрее скорости света, чтобы оставаться стабильной и избежать коллапса к центру. Следовательно, никакая физическая сила не может предотвратить коллапс звезды с размером меньше 1.0 SR до сингулярности (по крайней мере, в рамках принятой в настоящее время общей теории относительности ; это не выполняется для системы Эйнштейна-Янга-Миллса-Дирака). Представлена модель несферического коллапса в общей теории относительности с испусканием вещества и гравитационных волн .