Гравитационный коллапс

Источник статьи: Большая российская энциклопедия

Гравитацио́нный колла́пс – 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 газово-пылевого 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, инфракрасном и рентгеновском диапазонах убедительно свидетельствуют о присутствии в центрах некоторых галактик сверхмассивных чёрных дыр массой от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. В центре нашей Галактики находится «точечный» невидимый объект – чёрная дыра с массой около 4 млн 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 компьютеров с учётом конкретных механизмов потерь энергии (инфракрасное 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. В центральной области объекта возникает избыток давления, под действием которого ударная волна перемещается в наружном направлении. Ударная волна 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 импульса 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 импульса 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.

Библиография статьи Большой российской энциклопедии

• Зельдович Я. Б. Теория тяготения и эволюция звёзд / Я. Б. Зельдович, И. Д. Новиков. – Москва : Наука, 1971.
• Шкловский И. С. Звёзды : их рождение, жизнь и смерть. – 3-е изд., перераб. – Москва : Наука, 1984. – (Проблемы науки и технического прогресса).
• Физика космоса : маленькая энциклопедия / гл. ред. Р. А. Сюняев. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва : Советская энциклопедия, 1986.
• Физическая энциклопедия. Т. 1. Аароново–Длинные / гл. ред. А. М. Прохоров. – Москва : Советская энциклопедия, 1988.