Гравитационный коллапс - Gravitational collapse

Гравитационный коллапс массивной звезды, в результате чего Сверхновая типа II

Гравитационный коллапс это сокращение астрономический объект из-за влияния собственного сила тяжести, который имеет тенденцию притягивать материю внутрь к центр тяжести.[1] Гравитационный коллапс - это фундаментальный механизм формирования структуры во Вселенной. Со временем начальное, относительно плавное распределение дело схлопнется, образуя карманы с более высокой плотностью, обычно создавая иерархию конденсированных структур, таких как кластеры галактики, звездные группы, звезды и планеты.

Звезда рождается в результате постепенного гравитационного коллапса облака межзвездное вещество. Сжатие, вызванное обрушением, повышает температуру до термоядерный синтез происходит в центре звезды, и в этот момент коллапс постепенно останавливается по мере того, как тепловое давление уравновешивает гравитационные силы. Тогда звезда существует в состоянии динамическое равновесие. Как только все ее источники энергии будут исчерпаны, звезда снова схлопнется, пока не достигнет нового состояния равновесия.

Звездообразование

Основная статья: Звездообразование

Межзвездное облако газа останется в гидростатическое равновесие пока кинетическая энергия газа давление находится в равновесии с потенциальная энергия внутреннего сила гравитации. Математически это выражается с помощью теорема вириала, который утверждает, что для поддержания равновесия гравитационная потенциальная энергия должна быть в два раза больше внутренней тепловой энергии.[2] Если газовый карман достаточно массивен, что давление газа недостаточно, чтобы поддерживать его, облако подвергнется гравитационному коллапсу. Масса, выше которой облако подвергнется коллапсу, называется массой. Джинсовая масса. Эта масса зависит от температуры и плотности облака, но обычно составляет от тысяч до десятков тысяч. солнечные массы.[3]

Звездные остатки

NGC 6745 производит материал с достаточно высокой плотностью, чтобы вызвать звездообразование в результате гравитационного коллапса

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 в течение срока службы эти звездные остатки может принимать одну из трех форм:

белый Гном

Основная статья: белый Гном

Коллапс ядра звезды до белого карлика происходит в течение десятков тысяч лет, в то время как звезда сдувает свою внешнюю оболочку, образуя планетарная туманность. Если есть звезда-компаньон, объект размером с белый карлик может срастаться дело от звезды-компаньона. Прежде чем он достигнет Предел Чандрасекара (примерно в полтора раза больше массы нашего Солнца, и в этот момент гравитационный коллапс начнется снова), возрастающая плотность и температура внутри углеродно-кислородного белого карлика инициируют новый раунд ядерного синтеза, который не регулируется, потому что звезда Вес поддерживается за счет вырождения, а не за счет теплового давления, что позволяет температуре расти экспоненциально. Результирующий убегай угольная детонация полностью разносит звезду в сверхновая типа Ia.

Нейтронная звезда

Основная статья: Нейтронная звезда

Нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса ядер более крупных звезд и являются остатком типов сверхновых. 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 «нейтроний ”) С небольшой примесью свободных электронов и протонов. Эта вырожденная нейтронная материя имеет плотность ~4×1017 кг / м3.[нужна цитата ]

Появление звезд, состоящих из экзотика и их внутренняя слоистая структура неясна, поскольку любые предлагаемые уравнение состояния из дегенеративная материя весьма спекулятивен. Возможны и другие формы гипотетической вырожденной материи, и в результате кварковые звезды, странные звезды (тип кварковой звезды) и Преон звезды, если бы они существовали, по большей части были бы неотличимы от нейтронная звезда: В большинстве случаев экзотика было бы спрятано под коркой «обычных» вырожденных нейтронов.[нужна цитата ]

Черные дыры

Основная статья: Черная дыра
Логарифмический график зависимости массы от средней плотности (с солнечными значениями в качестве источника), показывающий возможные типы состояния звездного равновесия. Для конфигурации в заштрихованной области за линией границы черной дыры невозможно равновесие, поэтому безудержный коллапс будет неизбежен.

Согласно теории Эйнштейна, для еще более крупных звезд выше предела Ландау – Оппенгеймера – Волкова, также известного как Предел Толмана – Оппенгеймера – Волкова. (примерно вдвое больше массы нашего Солнца) ни одна из известных форм холодной материи не может обеспечить силу, необходимую для противодействия гравитации в новом динамическом равновесии. Следовательно, коллапс продолжается, и ничто не может его остановить.

Смоделированный вид снаружи черной дыры с тонким аккреционным диском[5]

Как только тело рушится, Радиус Шварцшильда он образует то, что называется черная дыра, что означает область пространства-времени, из которой не может выйти даже свет. Это следует из общая теория относительности и теорема Роджер Пенроуз[6] что последующее формирование какого-то необычность неизбежно. Тем не менее, по мнению Пенроуза гипотеза космической цензуры, сингулярность будет ограничена горизонтом событий, ограничивающим черная дыра, поэтому внешняя область пространства-времени по-прежнему будет иметь правильную геометрию с сильной, но конечной кривизной, которая ожидается[7] эволюционировать к довольно простой форме, описываемой историческими Метрика Шварцшильда в сферическом пределе и недавно обнаруженным Метрика Керра если угловой момент присутствует.

С другой стороны, природа рода особенности следует ожидать внутри черной дыры остается весьма спорным. Согласно теориям, основанным на квантовая механика, на более позднем этапе коллапсирующий объект достигнет максимально возможной плотности энергии для определенного объема пространства или Планковская плотность (поскольку это ничто не может остановить). Это момент, когда была выдвинута гипотеза, что известные законы гравитации перестают действовать.[8][нужен лучший источник ] Существуют конкурирующие теории относительно того, что происходит в этот момент. Например петля квантовой гравитации предсказывает, что Звезда Планка будет формироваться. Несмотря на это, утверждается, что на этой стадии гравитационный коллапс прекращается, и поэтому сингулярность не образуется.

Теоретический минимальный радиус звезды

Радиусы нейтронных звезд большей массы (около 2,8 массы Солнца)[9] 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, вероятно, это неверно. В рамках горизонт 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 в сингулярность (по крайней мере, в рамках принятых в настоящее время рамок общая теория относительности; это неверно для системы Эйнштейна – Янга – Миллса – Дирака). Модель несферического коллапса в общей теории относительности с испусканием вещества и гравитационные волны был представлен.[10]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Пильчин, Лев Эппельбаум, Иззи Кутасов, Аркадий (2013). Прикладная геотермия (Издательство Aufl.2014 г.). Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. п. 2. ISBN  9783642340239.
  2. ^ Квок, Солнце (2006). Физика и химия межзвездной среды. Книги университетских наук. стр.435–437. ISBN  1-891389-46-7.
  3. ^ Прильник, Дина (2000). Введение в теорию строения и эволюции звезд. Издательство Кембриджского университета. С. 198–199. ISBN  0-521-65937-X.
  4. ^ И теоретически Черные карлики - но: "... во вселенной пока не ожидается никаких черных карликов"
  5. ^ Марк, Жан-Ален (1996-03-01). «Ускоренный метод решения уравнений геодезических для черной дыры Шварцшильда». Классическая и квантовая гравитация. 13 (3): 393–402. arXiv:gr-qc / 9505010. Bibcode:1996CQGra..13..393M. Дои:10.1088/0264-9381/13/3/007. ISSN  0264-9381. S2CID  119508131.
  6. ^ Пенроуз, Роджер (1965-01-18). «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 14 (3): 57–59. Bibcode:1965ПхРвЛ..14 ... 57П. Дои:10.1103 / Physrevlett.14.57. ISSN  0031-9007.
  7. ^ Картер, Б. (1971-02-08). «Осесимметричная черная дыра имеет только две степени свободы». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 26 (6): 331–333. Bibcode:1971ПхРвЛ..26..331С. Дои:10.1103 / Physrevlett.26.331. ISSN  0031-9007.
  8. ^ «Черные дыры - единица Планка? WIP». Форумы по физике. Архивировано из оригинал на 2008-08-02.
  9. ^ «Предел Бхатиа Хазарика の 意味 ・ 使 い 方 ・ 読 み 方 | Weblio 英 和 辞書».
  10. ^ Бедран, М.Л. и др. (1996). "Модель несферического коллапса и образования черных дыр испусканием нейтрино, струн и гравитационных волн", Phys. Ред. D 54(6),3826.

внешние ссылки