Гравитационным коллапсом называется быстрый процесс сжатия вещества под действием собственного притяжения (см. Гравитация). Иногда под гравитационным коллапсом понимают неограниченное сжатие вещества в черную дыру, описываемое общей теорией относительности (релятивистский коллапс).
Части любого тела испытывают взаимное гравитационное притяжение. Однако в большинстве тел его величина недостаточна для возникновения коллапса. Для данной массы тела внутреннее поле гравитационного притяжения тем больше, чем больше его плотность, т. е. чем меньше его размеры. Для того чтобы гравитационное поле стало заметным, необходимо сжать его до колоссальных плотностей.
Так, например, для того чтобы произошел гравитационный коллапс Земли, ее плотность должна возрасти до г/см3, т. е. в триллионы раз превысить ядерную плотность. Однако с ростом массы внутреннее поле гравитационного притяжения также растет и достаточное для коллапса значение плотности уменьшается.
В таких массивных объектах, как звезды, роль сил гравитационного сжатия становится определяющей. Эти же силы вызывают сжатие облаков газа при образовании звезд и галактик. Такое сжатие носит характер своеобразного падения частиц газа к центру образующейся звезды или галактики. В этом смысле говорят о гравитационном коллапсе протозвезд и протогалактик.
Существование звезд связано с взаимным притяжением их атомов, но в обычных звездах это притяжение уравновешивается внутренним давлением вещества, что и обеспечивает их устойчивость. При высоких температурах и плотностях, характерных для недр звезд, атомы вещества ионизованы и давление вещества обусловлено движением свободных электронов и ионов. На основных, наиболее продолжительных стадиях эволюции звезд такое движение является тепловым. Оно поддерживается выделением энергии при реакциях термоядерного синтеза (см. Звезды). Однако запас термоядерного топлива в звездах ограничен и конечная судьба звезд определяется возможностью равновесия сил гравитационного сжатия и давления остывающего вещества звезды, исчерпавшей весь запас своей тепловой энергии. Такие условия равновесия осуществляются в белом карлике или в вырожденных ядрах звезд с массой меньше 5-10 масс Солнца, где гравитационному сжатию противодействует давление электронов. Но у белого карлика или вырожденного ядра звезды с большей массой плотность электронов становится настолько большой, что они как бы вдавливаются в ядра и, взаимодействуя с ядерным веществом, превращаются в нейтрино. Этот захват электронов ядрами приводит к уменьшению давления электронов, противодействующего гравитационному сжатию, и происходит гравитационный коллапс.
Гравитационный коллапс в белом карлике или вырожденном ядре звезды сопровождается дальнейшим захватом электронов ядрами и интенсивным нейтринным излучением, уносящим практически всю энергию гравитационного сжатия. Давление электронов становится все меньше, поэтому сжатие представляет собой свободное падение вещества к центру звезды. В конечном счете коллапсирующее вещество состоит из одних нейтронов. Возникающее при этом давление нейтронного вещества может уравновесить силы гравитационного сжатия, и гравитационный коллапс закончится образованием нейтронной звезды. Нейтринное излучение при коллапсе в нейтронную звезду может обеспечить эффективную передачу энергии внешним слоям коллапсирующей звезды, достаточной для их сброса с большой кинетической энергией; при этом наблюдается взрыв сверхновой звезды.
Однако гравитационный коллапс массивных звезд с массами, превышающими 5-10 масс Солнца, не заканчивается на стадии нейтронной звезды. С повышением массы нейтронной звезды плотность ее вещества растет и отталкивание нейтронов уже не может обеспечить эффективное противодействие гравитационному сжатию. Коллапс переходит в релятивистский гравитационный коллапс, и образуется черная дыра. Наличие максимальной массы устойчивого белого карлика и нейтронной звезды означает, что массивные звезды (с массой, в 10 раз превышающей массу Солнца) неизбежно закончат свое существование в процессе релятивистского гравитационного коллапса.
Гравитационный коллапс в черную дыру представляет собой явление, в котором эффекты общей теории относительности становятся определяющими. Сам коллапс происходит как свободное падение к центру образующейся черной дыры, но в соответствии с законами общей теории относительности удаленный наблюдатель будет видеть это падение как при все более замедленной киносъемке: для него процесс коллапса будет продолжаться бесконечно долго. При коллапсе в черную дыру меняются геометрические свойства пространства и времени. Искривление световых лучей оказывается столь сильным, что никакой сигнал не может покинуть поверхность коллапси-рующего тела. Вещество, ушедшее под радиус черной дыры, полностью обособляется от остального мира, продолжая, однако, влиять на окружение своим гравитационным полем.
В межзвездном пространстве существует множество облаков, состоящих в основном из водорода плотностью ок. 1000 ат/см 3 , размером от 10 до 100 св. лет. Их структура и, в частности, плотность непрерывно изменяются под действием взаимных столкновений, нагрева звездным излучением, давления магнитных полей и т.д. Когда плотность облака или его части становится настолько большой, что гравитация превосходит газовое давление, облако начинает неудержимо сжиматься – оно коллапсирует. Небольшие начальные неоднородности плотности в процессе коллапса усиливаются; в результате облако фрагментирует, т.е. распадается на части, каждая из которых продолжает сжиматься.
Вообще говоря, при сжатии газа возрастают его температура и давление, что может препятствовать дальнейшему сжатию. Но пока облако прозрачно для инфракрасного излучения, оно легко остывает, и сжатие не прекращается. Однако по мере нарастания плотности отдельных фрагментов их остывание затрудняется и возрастающее давление останавливает коллапс – так образуется звезда, а вся совокупность превратившихся в звезды фрагментов облака образует звездное скопление.
Коллапс облака в звезду или в звездное скопление продолжается около миллиона лет – сравнительно быстро по космическим масштабам. После этого термоядерные реакции, происходящие в недрах звезды, поддерживают температуру и давление, что препятствует сжатию. В ходе этих реакций легкие химические элементы превращаются в более тяжелые с выделением огромной энергии (подобное происходит при взрыве водородной бомбы). Выделившаяся энергия покидает звезду в виде излучения. Массивные звезды излучают очень интенсивно и сжигают свое «горючее» всего за несколько десятков миллионов лет. Звездам малой массы хватает их запаса топлива на многие миллиарды лет медленного горения. Рано или поздно у любой звезды топливо заканчивается, термоядерные реакции в ядре прекращаются и, лишенная источника тепла, она остается в полной власти собственной гравитации, неумолимо ведущей звезду к гибели.
Коллапс звезд малой массы.
Если после потери оболочки остаток звезды имеет массу менее 1,2 солнечной, то его гравитационный коллапс не заходит слишком далеко: даже лишенная источников тепла сжимающаяся звезда получает новую возможность сопротивляться гравитации. При высокой плотности вещества электроны начинают интенсивно отталкиваться друг от друга; это связано не с их электрическим зарядом, а с их квантово-механическими свойствами. Возникающее при этом давление зависит только от плотности вещества и не зависит от его температуры. Такое свойство электронов физики называют вырождением. У звезд малой массы давление вырожденного вещества способно сопротивляться гравитации. Сжатие звезды останавливается, когда она становится размером приблизительно с Землю. Такие звезды называют белыми карликами, поскольку светят они слабо, но имеют сразу после сжатия довольно горячую (белую) поверхность. Однако температура белого карлика постепенно снижается, и через несколько миллиардов лет такую звезду уже трудно заметить: она становится холодным невидимым телом.
Коллапс массивных звезд.
Если масса звезды более 1,2 солнечной, то давление вырожденных электронов не в состоянии сопротивляться гравитации, и звезда не может стать белым карликом. Ее неудержимый коллапс продолжается, пока вещество не достигнет плотности, сравнимой с плотностью атомных ядер (примерно 3Ч 10 14 г/см 3). При этом большая часть вещества превращается в нейтроны, которые, подобно электронам в белом карлике, становятся вырожденными. Давление вырожденного нейтронного вещества может остановить сжатие звезды, если ее масса не превышает приблизительно 2 солнечные. Образовавшаяся нейтронная звезда имеет диаметр всего ок. 20 км. Когда стремительное сжатие нейтронной звезды резко останавливается, вся кинетическая энергия переходит в тепло и температура поднимается до сотен миллиардов кельвинов. В результате происходит гигантская вспышка звезды, ее внешние слои с большой скоростью выбрасываются наружу, а светимость возрастает в несколько миллиардов раз. Астрономы называют это «взрывом сверхновой». Примерно через год яркость продуктов взрыва уменьшается, выброшенный газ постепенно охлаждается, перемешивается с межзвездным газом и в следующие эпохи входит в состав звезд новых поколений. Возникшая в ходе коллапса нейтронная звезда в первые миллионы лет быстро вращается и наблюдается как переменный излучатель – пульсар.
Если же масса коллапсирующей звезды значительно превышает 2 солнечные, то сжатие не останавливается на стадии нейтронной звезды, а продолжается до тех пор, пока ее радиус не уменьшится до нескольких километров. Тогда сила притяжения на поверхности возрастает настолько, что даже луч света не может покинуть звезду. Сжавшуюся до такой степени звезду называют черной дырой. Такой астрономический объект можно изучать только теоретически, используя общую теорию относительности Эйнштейна. Расчеты показывают, что сжатие невидимой черной дыры продолжается, пока вещество не достигнет бесконечно большой плотности.
Главная компонента затменной двойной имеет абсолютную визуальную величину ; болометрическая поправка, соответствующая ее спектру около , так что : у Солнца излучает энергии больше, чем Солнце, в 2,5121484 = 860 000 раз, но масса ее в 19 раз больше солнечной и потому на 1 г вещества она излучает в 45 000 раз больше, чем Солнце. У Солнца на 1 г массы приходится излучение . Подобным же образом находим, что компонента В визуально-двойной звезды Kruger 60 излучает на 1 г вещества в 80 раз меньше, чем Солнце, т. е. для нее . Еще меньше удельное лучеиспускание у Сириуса В - белого карлика: . Между тем средняя температура Т звезды меняется у тех же звезд (кроме, может быть, белого карлика) несравненно меньше (см. с. 196). Трудно наперед допустить, что во всех трех случаях механизм генерации энергии одинаков, но если уж он один и тот же, то, очевидно, он очень чувствителен к изменениям физических условий внутри звезды, в частности, температуры. Из различных возможных видов генерации энергии в звездах имеют значение два следующих:
а) гравитационное сжатие,
б) термоядерные процессы.
ГРАВИТАЦИОННОЕ СЖАТИЕ
Если разреженный шар сжимается, то его потенциальная энергия убывает [см. (15.8)]; эта убыль идет на увеличение кинетической энергии частиц шара, т. е. на увеличение температуры, когда шар - газовый (см. (15.9)).
Внутренняя тепловая энергия идеального газа, достигшего температуры равна на 1 г. Для всей звезды это будет
Интеграл равен . Подставляя сюда вместо выражение его из (15.9), в котором , и присоединяя из (15.8) выражение для потенциальной энергии , без труда получим
Полная энергия
Для одноатомного газа и, следовательно, пренебрегая у звезды давлением излучения (для которого ), будем иметь
т. е. полная энергия равна половине потенциальной и ее изменение составляет лишь половину изменения потенциальной энергии.
Достаточно широкая по применимости политропная модель имеет потенциальную энергию
Здесь n - класс политропии (при энергия становится положительной, т. е. шар имеет бесконечно большие размеры) и для конвективной модели
а для стандартной модели
Скорость изменения энергии очевидно, следует отождествить со светимостью звезды в стадии сжатия:
Как видно из равенства (17.4). изменения полной энергии, которые мы приравниваем в (17.8) светимости, составляют лишь половину изменения потенциальной энергии звезды. Другая половина идет на разогревание ее.
Если подставить в правую часть (17.9) вместо L лучеиспускание Солнца, а вместо и R - массу и радиус Солнца, то будем иметь
(17.10)
Отнесясь формально к последнему расчету, мы можем сказать, что если предполагать Солнце сжимающимся, то при нынешних характеристиках Солнца для возмещения потери тепла лучеиспусканием радиуса Солнца «хватит» всего лишь на лет. По существу, мы должны сказать, что при гравитационном сжатии Солнце изменяется существенным образом за 25 млн лет. Но геологическая история Земли учит нас, что Солнце более или менее неизменно облучает Землю около 3 млрд лет и, следовательно, указанная временная шкала порядка 20 млн лет, так называемая контракционная шкала времени Кельвина - Гельмгольца, для объяснения современной эволюции Солнца не годится. Она вполне подходит для эволюции конденсирующихся звезд при их разогревании во время сжатия, пока разогрев не стал настолько сильным, что вступили в строй термоядерные реакции.
Гидродинамическое сжатие астрофизического объекта под действием собственных сил тяготения, приводящее к значительному уменьшению его размеров
Анимация
Описание
Гравитационный коллапс - это гидродинамическое сжатие астрофизического объекта под действием собственных сил тяготения, приводящее к значительному уменьшению его размеров. Для развития гравитационного коллапса необходимо, чтобы силы давления или отсутствовали вообще, или, по крайней мере, были недостаточны для противодействия силам гравитации. Гравитационный коллапс возникает на двух крайних стадиях эволюции звезд. Во-первых, рождение звезды начинается с гравитационного коллапса газопылевого облака, из которого звезда образуется, и, во-вторых, некоторые звезды заканчивают свою эволюцию посредством гравитационного коллапса, переходя при этом в конечное состояние нейтронной звезды или черной дыры.
Гравитационный коллапс - следствие прекращения в центральной области звезды термоядерных реакций, т. е. следствие нарушения ее теплового, а затем и гидростатического (механического) равновесия.
Усредненное для звезды в целом уравнение гидростатического равновесия имеет вид:
где т и R - масса и радиус звезды;
r c и р с - плотность и давление в центре звезды;
G - гравитационная постоянная;
g - показатель адиабаты вещества звезды.
Анализ этих соотношений позволяет определить условия возникновения, продолжения или остановки гравитационного коллапса. Зависимость результата от воздействия имеет следующий вид:
,
где V - скорость падения (радиальный нерелятивистский случай);
r g - гравитационный радиус объекта;
r - расстояние до слоя (до частицы);
Е - полная энергия частицы;
т - масса частицы;
с - скорость света.
Для угловых скоростей справедливо соотношение:
,
где w 0 и R0 - начальные угловая скорость и радиус объекта;
w 1 и R 1 - конечные (текущие) угловая скорость и радиус.
При g > 4/3, где g - показатель адиабаты вещества звезды, гидростатическое равновесие устойчиво и коллапс не возникает. В этом случае речь идет о среднем значении показателя. В строгой теории гидростатической устойчивости звезд должна учитываться неодинаковость g для различных слоев звезды.
Звезда может иметь сферическую и параболическую форму (рис. 1, 2).
Коллапс звезды шаровой формы
Рис. 1
Коллапс гравитирующей массы в форме диска
Рис. 2
Собственное гравитационное поле действует на все пространство вокруг гравитирующего центра. Движение вещества направлено к гравитирующему центру. Гравитирующая область пространства определяется релеевской неустойчивостью или некоторой предельной концентрацией вещества. Гравитационное поле направлено к гравитирующему центру. Давление существует в гравитирующей области пространства звезды и неодинаково для различных слоев вещества звезды.
Результат проявления этого эффекта может быть использован в хронометрии. Оптические эффекты, вызываемые сверхплотными объектами, могут использоваться в астрономии.
Пульсар-компактный вращающийся объект с очень сильным магнитным полем - результат гравитационного коллапса. При определенных условиях может обладать очень медленно изменяющимся периодом обращения. Такой пульсар с успехом может использоваться как эталон времени и частоты.
Теоретически возможный путь применения: разделение частицы в эргосфере вращающейся черной дыры (возможного результата гравитационного коллапса). Падение части в черную дыру приводит к эффекту пращи - выбросу оставшейся части в окружающее пространство с очень высокой энергией. Так могут работать гравитационные ускорители будущего. Важнейшая их черта и преимущество - возможность ускорять любые частицы, независимо от их электрического, лептонного, барионного зарядов, спина, магнитного момента и т. п.
Временные характеристики
Время инициации (log to от 7 до 9);
Время существования (log tc от 13 до 15);
Время деградации (log td от 14 до 16);
Время оптимального проявления (log tk от 10 до 12).
Диаграмма:
Технические реализации эффекта
техническая реализация эффекта
Известны астрономические объекты - пульсары - компактные вращающиеся объекты с очень сильным магнитным полем, возникшие в результате гравитационного коллапса. При определенных условиях они обладают очень медленно изменяющимся периодом обращения. Один из таких пульсаров с успехом может использоваться как эталон времени и частоты, доступный для использования в любой точке земного шара.
Применение эффекта
Теоретически возможный путь применения: гравитационного коллапса - универсальный ускоритель частиц, способный ускорять любые частицы, независимо от их электрического, лептонного, барионного зарядов, спина, магнитного момента и т.п.
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС, гидродинамическое сжатие космического объекта под действием собственных сил тяготения, приводящее к значительному уменьшению его размеров. Для развития гравитационного коллапса необходимо, чтобы силы давления (отталкивания) отсутствовали вообще или, по крайней мере, были недостаточны для противодействия силам гравитации. Гравитационный коллапс возникает на двух крайних стадиях эволюции звёзд. Во-первых, рождение звезды начинается с гравитационного коллапса газопылевого облака. Во-вторых, некоторые звёзды заканчивают свою эволюцию посредством гравитационного коллапса, их центральная часть (ядро) переходит при этом в конечное состояние нейтронной звезды или чёрной дыры. Одновременно разреженная оболочка может быть выброшена сильной ударной волной, что приводит к вспышке сверхновой звезды. Гравитационный коллапс происходит также и в более крупных масштабах - на определённых этапах эволюции ядер галактик. Астрономические наблюдения с помощью орбитальных космических телескопов в оптическом, ИК- и рентгеновском диапазонах убедительно свидетельствуют о присутствии в центрах некоторых галактик массивных чёрных дыр массой от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. В центре нашей Галактики находится «точечный» невидимый объект - чёрная дыра с массой 3 миллионов масс Солнца, определённой по орбитам вращающихся вокруг неё соседних звёзд. Такие чёрные дыры первоначально возникают вследствие гравитационного коллапса и затем постепенно увеличивают свою массу, поглощая окружающее вещество.
Гравитационный коллапс связан с потерей устойчивости объекта по отношению к сжатию под действием сил гравитации. После потери устойчивости с течением времени объект всё сильнее отклоняется от исходного состояния гидростатического равновесия, причём силы гравитации начинают преобладать над силами давления, что вызывает дальнейшее ускорение сжатия. В основе гравитационного коллапса при рождении звёзд и при образовании нейтронных звёзд и чёрных дыр лежат совершенно различные физические процессы. Однако гидродинамическая картина развития гравитационного коллапса в основных чертах одинакова в обоих случаях.
Рождение звёзд связано с гравитационной неустойчивостью межзвёздной среды. При образовании нейтронных звёзд и чёрных дыр толчком к началу гравитационного коллапса служат потеря звездой устойчивости вследствие диссоциации атомных ядер на составляющие их нуклоны и/или нейтронизация вещества звезды (массовый захват атомными ядрами электронов), сопровождаемые интенсивными потерями энергии путём испускания электронных нейтрино.
Начавшийся гравитационный коллапс развивается во всё более ускоренном темпе в основном по двум причинам. Во-первых, затраты энергии на расщепление частиц вещества (диссоциация молекул и ионизация атомов при сжатии протозвёздных облаков, диссоциация атомных ядер при образовании нейтронных звёзд) приводят к снижению скорости роста давления, препятствующего сжатию вещества. Во-вторых, интенсивные потери энергии на излучение во время гравитационного коллапса ещё больше замедляют рост давления.
Детальное описание гравитационного коллапса можно получить лишь с помощью быстродействующих ЭВМ с учётом конкретных механизмов потерь энергии (ИК-излучение или нейтрино) и других физических свойств коллапсирующего вещества. Чем больше плотность вещества внутри коллапсирующего объёма, тем быстрее развивается гравитационный коллапс. Поэтому в первую очередь коллапсирует область вблизи центра звезды (центральное ядро). После остановки гравитационного коллапса ядра вещество оболочки наталкивается на него со сверхзвуковой скоростью, образуя сильную ударную волну (УВ). В центральной области объекта возникает избыток давления, под действием которого УВ перемещается в наружном направлении. УВ не только останавливает падение оболочки, но может также придать наружным слоям скорость, направленную от центра. Этот обнаруженный в детальных расчётах гравитационного коллапса эффект называется гидродинамическим отражением (отскоком). Его существование важно для диагностики гравитационного коллапса в наблюдениях, в частности для теории вспышек сверхновых звёзд.
После выпадения на ядро основной массы оболочки и затухания, вызванных гидродинамическим отражением пульсаций ядра гравитационный коллапс фактически заканчивается. Однако значительная доля выделившейся в процессе гравитационного коллапса энергии не успевает излучиться и оказывается запасённой в виде теплоты в образовавшемся плотном гидростатически равновесном объекте (в протозвезде или в горячей нейтронной звезде). По мере излучения энергии протозвезда продолжает медленно сжиматься. В соответствии с теоремой вириала температура в центре протозвезды повышается и, в конце концов, достигает величины, достаточной для протекания термоядерных реакций, - протозвезда превращается в обычную звезду.
На конечных стадиях эволюции массивных звёзд могут создаваться условия, благоприятные для образования неустойчивых к гравитационному коллапсу звёздных ядер с массой, превышающей предельную массу нейтронной звезды (2-3 массы Солнца). При таких обстоятельствах гравитационный коллапс уже не может остановиться на промежуточном состоянии равновесной нейтронной звезды и продолжается неограниченно с образованием чёрной дыры. Основную роль здесь играют эффекты общей теории относительности, поэтому такой гравитационный коллапс называется релятивистским.
На гравитационный коллапс могут существенно влиять вращение коллапсирующего объекта и его магнитное поле. При сохранении момента количества движения и магнитного потока скорость вращения и магнитное поле возрастают в процессе сжатия, что может изменить картину гравитационного коллапса не только количественно, но и качественно. Например, в отсутствие сферической симметрии становятся возможными потери энергии путём излучения гравитационных волн. Достаточно сильное начальное вращение может привести к остановке гравитационного коллапса на промежуточной стадии, когда дальнейшее сжатие окажется возможным лишь при наличии каких-либо механизмов потери момента количества движения или при фрагментации объекта на сгустки меньших размеров. Количественная теория гравитационного коллапса с учётом вращения и/или магнитного поля только начинает своё развитие и опирается на достижения современной вычислительной математики. Результаты, полученные для гравитационного коллапса без учёта вращения и магнитного поля, имеют тем не менее важное прикладное значение и являются в ряде случаев, по-видимому, хорошим приближением к действительности.
Исследования гравитационного коллапса приобрели особый интерес в связи с достижениями инфракрасной астрономии, которая позволяет наблюдать за рождением звёзд, а также с постройкой подземных нейтринных обсерваторий, способных зарегистрировать вспышку нейтринного излучения в случае образования нейтронных звёзд и чёрных дыр в нашей Галактике.
Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Теория тяготения и эволюция звезд. М., 1971 ; Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. 3-е изд. М., 1984; Физика космоса: Маленькая энциклопедия. 2-е изд. М., 1986: Физическая энциклопедия. М., 1988. Т. 1.
