Введение
Сжатие астрономического объекта под действием его гравитации.
Гравитационный коллапс — это сжатие астрономического объекта под действием собственной гравитации, которая стремится притянуть материю к центру тяжести. Гравитационный коллапс является фундаментальным механизмом формирования структуры во Вселенной. Со временем начальное, относительно однородное распределение материи, после достаточного аккрецирования, может схлопнуться, образуя области повышенной плотности, такие как звезды или чёрные дыры. Постепенный гравитационный коллапс межзвёздной среды в сгустки молекулярных облаков и потенциальные протозвёзды, являющийся скрытой формой гравитационного коллапса, представляет собой рождение звезды. Сжатие, вызванное коллапсом, повышает температуру до тех пор, пока в центре звезды не начнётся термоядерный синтез, после чего коллапс постепенно останавливается, поскольку внешнее тепловое давление уравновешивает гравитационные силы. Звезда затем находится в состоянии динамического равновесия. В ходе эволюции звезды может произойти повторный коллапс и достижение новых состояний равновесия.
Звездные образования
Межзвездное газовое облако останется в гидростатическом равновесии, пока кинетическая энергия давления газа будет сбалансирована с потенциальной энергией собственной гравитации. Математически это выражается теоремой вириала, которая утверждает, что для поддержания равновесия гравитационная потенциальная энергия должна равняться удвоенной внутренней тепловой энергии. Если участок газа достаточно массивен, чтобы давление газа было недостаточным для его удержания, облако подвергнется гравитационному коллапсу. Критическая масса, при превышении которой облако подвергается такому коллапсу, называется массой Джинса. Эта масса зависит от температуры и плотности облака, но обычно составляет от нескольких тысяч до десятков тысяч солнечных масс.
Белый карлик
Распад звездного ядра в белый карлик происходит в течение десятков тысяч лет, в то время как звезда сбрасывает свою внешнюю оболочку, формируя планетарную туманность. Если у белого карлика есть звезда-компаньон, он может аккрецировать материю с этой звезды. Прежде чем достичь предела Чандрасекара (примерно в полтора раза больше массы Солнца, после чего начнется повторный гравитационный коллапс), возрастающая плотность и температура внутри углеродно-кислородного белого карлика запускают новый цикл ядерного синтеза, который не контролируется, поскольку вес звезды поддерживается вырожденным давлением, а не тепловым давлением, что позволяет температуре расти экспоненциально. В результате происходит неуправляемый взрыв углерода, полностью разрушающий звезду в сверхновую типа Ia.
Нейтронная звезда
Нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса ядер более массивных звезд. Они являются остатками сверхновых типов Ib, Ic и II. Предполагается, что нейтронные звезды имеют "кожу" или "атмосферу" из обычной материи толщиной около миллиметра, под которой они почти полностью состоят из плотно упакованных нейтронов, называемых нейтронной материей, с небольшим количеством свободных электронов и протонов. Эта вырожденная нейтронная материя имеет плотность около 6,65. Внешний вид звезд, состоящих из экзотической материи, и их внутренняя слоистая структура остаются неясными, поскольку любое предложенное уравнение состояния вырожденной материи носит весьма спекулятивный характер. Возможны и другие формы гипотетической вырожденной материи, и образовавшиеся в результате кварковые звезды, странные звезды (тип кварковой звезды) и преонные звезды, если они существуют, в большинстве случаев будут неотличимы от нейтронной звезды: в большинстве случаев экзотическая материя будет скрыта под корой из "обычных" вырожденных нейтронов.
Черные дыры
Согласно теории Эйнштейна, для ещё более массивных звёзд, превышающих предел Ландау — Оппенгеймера — Волкова, также известный как предел Толмана — Оппенгеймера — Волкова (примерно вдвое больше массы Солнца), никакая известная форма холодной материи не способна обеспечить силу, необходимую для противодействия гравитации в новом динамическом равновесии. Следовательно, коллапс продолжается, и ничто не может его остановить. Как только тело сжимается до своего радиуса Шварцшильда, формируется так называемая чёрная дыра – область пространства-времени, из которой не может вырваться даже свет. Из общей теории относительности и теоремы Роджера Пенроуза следует, что последующее образование сингулярности неизбежно. Тем не менее, согласно гипотезе космической цензуры Пенроуза, сингулярность будет заключена внутри горизонта событий, ограничивающего чёрную дыру, поэтому область пространства-времени за его пределами всё ещё будет обладать хорошо определённой геометрией с сильной, но конечной кривизной, которая, как ожидается, будет эволюционировать к относительно простой форме, описываемой исторической метрикой Шварцшильда в сферическом пределе и более недавно открытой метрикой Керра, если присутствует угловой момент. Если у объекта-предшественника было магнитное поле, оно рассеивается в процессе коллапса, поскольку считается, что чёрные дыры не имеют собственного магнитного поля. С другой стороны, характер сингулярности, которую можно ожидать внутри чёрной дыры, остаётся весьма спорным вопросом. Согласно теориям, основанным на квантовой механике, на более поздней стадии коллапсирующий объект достигнет максимально возможной плотности энергии для заданного объёма пространства, или плотности Планка (поскольку ничто не способно его остановить). Это точка, в которой, как предполагается, известные законы гравитации перестают быть применимыми. Существуют конкурирующие теории относительно того, что происходит в этот момент. Например, петлевая квантовая гравитация предсказывает образование звезды Планка. Однако утверждается, что гравитационный коллапс прекращается на этой стадии, и, следовательно, сингулярность не формируется.
Теоретический минимальный радиус звезды
Радиусы нейтронных звезд большей массы (около 2,8 солнечных масс) оцениваются примерно в 12 км, что примерно в 2 раза больше их эквивалентного радиуса Шварцшильда. Может показаться, что достаточно массивная нейтронная звезда может существовать внутри своего радиуса Шварцшильда (1.0 SR) и выглядеть как черная дыра, не сжимая всю свою массу в сингулярность в центре; однако, это, скорее всего, не так. Внутри горизонта событий материя должна двигаться наружу быстрее скорости света, чтобы оставаться стабильной и избежать коллапса в центр. Следовательно, никакая физическая сила не может предотвратить коллапс звезды, размер которой меньше 1.0 SR, в сингулярность (по крайней мере, в рамках современной общепринятой теории относительности; это не применимо к системе Эйнштейна–Янга–Миллса–Дирака). Представлена модель несферического коллапса в общей теории относительности с излучением материи и гравитационных волн.