ГРАВИТАЦИО́ННЫЙ КОЛЛА́ПС
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ГРАВИТАЦИО́ННЫЙ КОЛЛА́ПС, гидродинамич. сжатие космич. объекта под действием собственных сил тяготения, приводящее к значит. уменьшению его размеров. Для развития Г. к. необходимо, чтобы силы давления (отталкивания) отсутствовали вообще или, по крайней мере, были недостаточны для противодействия силам гравитации. Г. к. возникает на двух крайних стадиях эволюции звёзд. Во-первых, рождение звезды начинается с Г. к. газопылевого облака. Во-вторых, некоторые звёзды заканчивают свою эволюцию посредством Г. к., их центр. 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. Г. к. происходит также и в более крупных масштабах – на определённых этапах эволюции ядер галактик. Астрономич. наблюдения с помощью орбитальных космич. 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 млн. масс Солнца, определённой по орбитам вращающихся вокруг неё соседних звёзд. Такие чёрные дыры первоначально возникают вследствие Г. к. и затем постепенно увеличивают свою массу, поглощая окружающее вещество.
Г. к. 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 гидростатич. равновесия, причём силы гравитации начинают преобладать над силами давления, что вызывает дальнейшее ускорение сжатия. В основе Г. к. при рождении звёзд и при образовании нейтронных звёзд и чёрных дыр лежат совершенно разл. физич. процессы. Однако гидродинамич. картина развития Г. к. в осн. чертах одинакова в обоих случаях.
Рождение звёзд связано с гравитационной неустойчивостью межзвёздной среды. При образовании нейтронных звёзд и чёрных дыр толчком к началу Г. к. 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 Г. к. развивается во всё более ускоренном темпе в осн. 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 Г. к. ещё больше замедляют рост давления.
Детальное описание Г. к. можно получить лишь с помощью быстродействующих ЭВМ с учётом конкретных механизмов потерь энергии (ИК-излучение или нейтрино) и др. физич. свойств коллапсирующего вещества. Чем больше плотность вещества внутри коллапсирующего объёма, тем быстрее развивается Г. к. Поэтому в первую очередь коллапсирует область вблизи центра звезды (центр. ядро). После остановки Г. к. ядра вещество оболочки наталкивается на него со сверхзвуковой скоростью, образуя сильную ударную волну (УВ). В центр. 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 Г. к. эффект называется гидродинамич. отражением (отскоком). Его существование важно для диагностики Г. к. в наблюдениях, в частности для теории вспышек сверхновых звёзд.
После выпадения на ядро осн. массы оболочки и затухания вызванных гидродинамич. отражением пульсаций ядра Г. к. фактически заканчивается. Однако значительная доля выделившейся в процессе Г. к. 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 темп-pa 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 Г. к. звёздных ядер с массой, превышающей предельную массу нейтронной звезды (2–3 массы Солнца). При таких обстоятельствах Г. к. уже не может остановиться на промежуточном состоянии равновесной нейтронной звезды и продолжается неограниченно с образованием чёрной дыры. Осн. роль здесь играют эффекты общей теории относительности, поэтому такой Г. к. называется релятивистским.
На Г. к. 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 Г. к. не только количественно, но и качественно. Напр., в отсутствие сферич. симметрии становятся возможными потери энергии путём излучения гравитационных волн. Достаточно сильное начальное вращение может привести к остановке Г. к. на промежуточной стадии, когда дальнейшее сжатие окажется возможным лишь при наличии к.-л. механизмов потери момента количества движения или при фрагментации объекта на сгустки меньших размеров. Количественная теория Г. к. с учётом вращения и/или магнитного поля только начинает своё развитие и опирается на достижения совр. вычислит. математики. Результаты, полученные для Г. к. 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 Г. к. 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.