Космос и Человечество
Что такое гравитационный коллапс звезды?
Гравитационный коллапс звезды — катастрофически быстрое сжатие массивной звезды под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звезд с массой свыше 1,5 солнечной массы.
После исчерпания ядерного горючего такие звезды теряют свою механическую устойчивость и начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Если растущее внутреннее давление останавливает гравитационный коллапс, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой, что может сопровождаться сбросом оболочки и наблюдаться как вспышка сверхновой звезды. Но если радиус звезды уменьшился до значения гравитационного радиуса, то никакие силы не могут воспрепятствовать ее дальнейшему сжатию и превращению в черную дыру. Что такое гравитационный радиус и как велики его значения для различных объектов?
Гравитационным радиусом называют радиус так называемой сферы Шварцшильда, на которой сила тяготения, создаваемая расположенной внутри этой сферы массой, стремится к бесконечности. Гравитационные радиусы обычных небесных тел ничтожно малы: для Солнца гравитационный радиус составляет 2,96 километра, для Земли — 8,86 миллиметра, для Луны — 0,1 миллиметра. Для очень массивной звезды (гиганта или сверхгиганта) гравитационный радиус может составлять несколько десятков или сотен километров. Если тело сожмется до размеров, меньших, чем его гравитационный радиус, то никакое излучение или частицы не смогут преодолеть поле тяготения этого тела и выйти из-под сферы Шварцшильда к удаленному наблюдателю. Такие объекты называют черными дырами.
Источник
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС
Энциклопедия Кольера. — Открытое общество . 2000 .
Смотреть что такое «ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС» в других словарях:
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звезд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звездах ядерного горючего они теряют свою… … Большой Энциклопедический словарь
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС — процесс гидродинамич. сжатия тела под действием собств. сил тяготения. Этот процесс в природе возможен только у достаточно массивных тел, в частности у звёзд. Необходимое условие Г. к. понижение упругости в ва внутри звезды, к рое приводит к… … Физическая энциклопедия
гравитационный коллапс — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звёзд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звёздах ядерного горючего они теряют свою… … Энциклопедический словарь
Гравитационный коллапс — Модель механизма гравитационного коллапса Гравитационный коллапс катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным к … Википедия
Гравитационный коллапс — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звезд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звездах ядерного горючего они теряют свою… … Астрономический словарь
Гравитационный коллапс — (от гравитация и лат. collapsus упавший) (в астрофизике, астрономии) катастрофически быстрое сжатие звезды на последних стадиях эволюции под действием собственных сил тяготения, превосходящих ослабевающие силы давления нагретого газа (вещества)… … Начала современного естествознания
Гравитационный коллапс — см. Коллапс гравитационный … Большая советская энциклопедия
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитац. сил. Г. к. может заканчиваться эволюция звёзд с массой св. двух солнечных масс. После исчерпания в таких звёздах ядерного горючего они теряют свою механич. устойчивость и… … Естествознание. Энциклопедический словарь
КОЛЛАПС ГРАВИТАЦИОННЫЙ — см. Гравитационный коллапс … Большой Энциклопедический словарь
коллапс гравитационный — см. Гравитационный коллапс. * * * КОЛЛАПС ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС ГРАВИТАЦИОННЫЙ, см. Гравитационный коллапс (см. ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС) … Энциклопедический словарь
Источник
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 начальное, 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.
СОДЕРЖАНИЕ
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 накапливать 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 экспоненциально. 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 примесью 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 заключена в пределах горизонта событий, ограничивающего 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 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 .
Источник
Гравитационный коллапс. Нейтронные звёзды. Чёрные дыры
В космосе происходит много удивительных вещей, в результате которых появляются новые звезды, исчезают старые и формируются черные дыры. Одним из великолепных и загадочных явлений выступает гравитационный коллапс, который заканчивает эволюцию звезд.
Звездная эволюция – это цикл изменений, проходимый звездой за период ее существования (миллионы или миллиард лет). Когда водород в ней заканчивается и превращается в гелий, формируется гелиевое ядро, а сам космический объект начинает превращаться в красного гиганта – звезду поздних спектральных классов, которая обладает высокой светимостью. Их масса может в 70 раз превышать массу Солнца. Очень яркие сверхгиганты называются гипергигантами. Помимо высокой яркости они отличаются коротким периодом существования.
Сущность коллапса
Это явление считается конечной точкой эволюции звезд, вес которых составляет более трех солнечных масс (вес Солнца). Эта величина используется в астрономии и физике с целью определения веса других космических тел. Коллапс случается в том случае, когда гравитационные силы заставляют огромные космические тела с большой массой очень быстро сжиматься.
В звездах весом более трех масс Солнца есть достаточно материала для продолжительных термоядерных реакций. Когда субстанция заканчивается, прекращается и термоядерная реакция, а звезды перестают быть механически устойчивыми. Это приводит к тому, что они со сверхзвуковой скоростью начинают сжиматься к центру.
Нейтронные звезды
Когда звезды сжимаются, это приводит к возникновению внутреннего давления. Если оно растет с достаточной силой для того, чтобы остановить гравитационное сжатие, то появляется нейтронная звезда.
Такое космическое тело обладает простой структурой. Звезда состоит из сердцевины, которую покрывает кора, а она, в свою очередь, формируется из электронов и ядер атомов. Ее толщина равна примерно 1 км и является относительно тонкой, если сравнивать с другими телами, встречающимися в космосе.
Вес нейтронных звезд равен весу Солнца. Отличие между ними заключается в том, что радиус у них небольшой – не более 20 км. Внутри них взаимодействуют друг с другом атомные ядра, формируя, таким образом, ядерную материю. Именно давление со ее стороны не дает нейтронной звезде сжиматься дальше. Этот тип звезд отличается очень высокой скоростью вращения. Они способны совершать сотни оборотов в течение одной секунды. Процесс рождения начинается из вспышки сверхновой, которая возникает во время гравитационного коллапса звезды.
Сверхновые
Вспышка сверхновой представляет собой явление резкого изменения яркости звезды. Далее звезда начинает медленно и постепенно угасать. Так заканчивается последняя стадия гравитационного коллапса. Весь катаклизм сопровождается выделением большого количества энергии.
Следует заметить, что жители Земли могут увидеть этот феномен лишь постфактум. Свет достигает нашей планеты спустя долгий период после того, как произошла вспышка. Это стало причиной возникновения сложностей при определении природы сверхновых.
Остывание нейтронной звезды
После окончания гравитационного сжатия, в результате которого сформировалась нейтронная звезда, ее температура очень высока (намного выше, чем температура Солнца). Остывает звезда благодаря нейтринному охлаждению.
В течение пары минут их температура может опуститься в 100 раз. На протяжение последующих ста лет – еще в 10 раз. После того, как светимость звезды снижается, процесс ее охлаждения существенно замедляется.
Предел Оппенгеймера-Волкова
С одной стороны, этот показатель отображает максимально возможный вес нейтронной звезды, при котором гравитация компенсируется нейтронным газом. Это не дает возможность гравитационному коллапсу закончиться появлением черной дыры. С другой стороны, так называемый предел Оппенгеймера-Волкова является одновременно и нижним порогом веса черной дыры, которые были образованы в ходе звездной эволюции.
Из-за ряда неточностей сложно определить точное значение данного параметра. Однако предполагается, что оно находится в диапазоне от 2,5 до 3 масс Солнца. На данный момент, ученые утверждают, что самой тяжелой нейтронной звездой является J0348+0432. Ее вес составляет более двух масс Солнца. Вес самой легкой черный дыры составляет 5-10 солнечных масс. Астрофизики заявляют о том, что эти данные являются экспериментальными и касаются только на данный момент известных нейтронных звезд и черных дыр и предполагают возможность существования более массивных.
Черные дыры
Черная дыра – это один из самых удивительных феноменов, которые встречаются в космосе. Она представляет собой область пространства-времени, где гравитационное притяжение не позволяет никаким объектам выйти из нее. Покинуть ее не способны даже тела, которые могут двигаться со скоростью света (в том числе и кванты самого света). До 1967 года черные дыры назывались «застывшими звездами», «коллапсарами» и «сколлапсировавшими звездами».
У черной дыры есть противоположность. Она называется белой дырой. Как известно, из черной дыры невозможно выбраться. Что касается белых, то в них нельзя проникнуть.
Помимо гравитационного коллапса, причиной образования черной дыры может быть коллапс в центре галактики или протогалактического глаза. Также существует теория, что черные дыры появились в результате Большого Взрыва, как и наша планета. Ученые называют их первичными.
В нашей Галактике есть одна черная дыра, которая, по мнениям астрофизиков, образовалась из-за гравитационного коллапса сверхмассивных объектов. Ученые утверждают, что подобные дыры формируют ядра множества галактик.
Астрономы Соединенных Штатов Америки предполагают, что размер больших черных дыр может быть существенно недооценен. Их предположения основываются на том, что для достижения звездами той скорости, с какой они двигаются по галактике М87, находящейся в 50 миллионах световых лет от нашей планеты, масса черный дыры в центре галактики М87 должна быть не менее 6,5 миллиардов масс Солнца. На данный момент же принято считать, что вес самой большой черный дыры составляет 3 миллиарда солнечных масс, то есть более чем в два раза меньше.
Синтез черных дыр
Существует теория, что эти объекты могут появляться в результате ядерных реакций. Ученые дали им название квантовые черные дары. Их минимальный диаметр составляет 10 -18 м, а наименьшая масса – 10 -5 г.
Для синтеза микроскопических черных дыр был построен Большой адронный коллайдер. Предполагалось, что с его помощью удастся не только синтезировать черную дыру, но и смоделировать Большой Взрыв, что позволило бы воссоздать процесс образования множества космических объектов, в том числе и планеты Земля. Однако эксперимент провалился, поскольку энергии для создания черных дыр не хватило.
Источник