Гравітаційний колапс. Нейтронні зірки. Чорні діри

Гравітаційний колапс. Нейтронні зірки. Чорні діри


У космосі відбувається багато дивовижних речей, в результаті яких з'являються нові зірки, зникають старі і формуються чорні діри. Одним з чудових і загадкових явищ виступає гравітаційний колапс, який закінчує еволюцію зірок.

Зоряна еволюція - це цикл змін, що проходить зіркою за період її існування (мільйони або мільярд років). Коли водень у ній закінчується і перетворюється на гелій, формується гелієве ядро, а сам космічний об'єкт починає перетворюватися на червоного гіганта - зірку пізніх спектральних класів, яка володіє високою світністю. Їх маса може в 70 разів перевищувати масу Сонця. Дуже яскраві надгіганти називаються гіпергігантами. Крім високої яскравості вони відрізняються коротким періодом існування.

Сутність колапсу

Це явище вважається кінцевою точкою еволюції зірок, вага яких становить більше трьох сонячних мас (вага Сонця). Ця величина використовується в астрономії і фізиці з метою визначення ваги інших космічних тел. Колапс трапляється в тому випадку, коли гравітаційні сили змушують величезні космічні тіла з великою масою дуже швидко стискатися.

У зірках вагою більше трьох мас Сонця є достатньо матеріалу для тривалих термоядерних реакцій. Коли субстанція закінчується, припиняється і термоядерна реакція, а зірки перестають бути механічно стійкими. Це призводить до того, що вони зі надзвуковою швидкістю починають стискатися до центру.

Нейтронні зірки

Коли зірки стискаються, це призводить до виникнення внутрішнього тиску. Якщо воно зростає з достатньою силою для того, щоб зупинити гравітаційне стиснення, то з'являється нейтронна зірка.

Таке космічне тіло має просту структуру. Зірка складається з серцевини, яку покриває кора, а вона, в свою чергу, формується з електронів і ядер атомів. Її товщина дорівнює приблизно 1 км і є відносно тонкою, якщо порівнювати з іншими тілами, що зустрічаються в космосі.

Вага нейтронних зірок дорівнює вазі Сонця. Відмінність між ними полягає в тому, що радіус у них невеликий - не більше 20 км. Всередині них взаємодіють один з одним атомні ядра, формуючи, таким чином, ядерну матерію. Саме тиск з її боку не дає нейтронній зірці стискатися далі. Цей тип зірок відрізняється дуже високою швидкістю обертання. Вони здатні здійснювати сотні обертів протягом однієї секунди. Процес народження починається зі спалаху наднової, яка виникає під час гравітаційного колапсу зірки.

Наднові

Спалах надновий є явищем різкої зміни яскравості зірки. Далі зірка починає повільно і поступово згасати. Так закінчується остання стадія гравітаційного колапсу. Весь катаклізм супроводжується виділенням великої кількості енергії.

Слід зауважити, що жителі Землі можуть побачити цей феномен лише постфактум. Світло досягає нашої планети через довгий період після того, як стався спалах. Це стало причиною виникнення складнощів при визначенні природи наднових.

Остання нейтронної зірки

Після закінчення гравітаційного стиснення, в результаті якого сформувалася нейтронна зірка, її температура дуже висока (набагато вища, ніж температура Сонця). Остигає зірка завдяки нейтринному охолодженню.

Протягом пари хвилин їх температура може опуститися в 100 разів. Протягом наступних ста років - ще в 10 разів. Після того, як світність зірки знижується, процес її охолодження істотно сповільнюється.

Межа Оппенгеймера-Волкова

З одного боку, цей показник відображає максимально можливу вагу нейтронної зірки, при якій гравітація компенсується нейтронним газом. Це не дає можливості гравітаційному колапсу закінчитися появою чорної діри. З іншого боку, так звана межа Оппенгеймера-Волкова є одночасно і нижнім порогом ваги чорної діри, які були утворені в ході зіркової еволюції.

Через низку неточностей складно визначити точне значення даного параметра. Однак передбачається, що воно знаходиться в діапазоні від 2,5 до 3 мас Сонця. На даний момент, вчені стверджують, що найважчою нейтронною зіркою є J0348 + 0432. Її вага становить більше двох мас Сонця. Вага найлегшої чорної діри становить 5-10 сонячних мас. Астрофізики заявляють про те, що ці дані є експериментальними і стосуються тільки на даний момент відомих нейтронних зірок і чорних дір і передбачають можливість існування більш масивних.

Чорні діри

Чорна діра - це один з найдивовижніших феноменів, які зустрічаються в космосі. Це область простору-часу, де гравітаційне тяжіння не дозволяє жодним об'єктам вийти з неї. Покинути її не здатні навіть тіла, які можуть рухатися зі швидкістю світла (в тому числі і кванти самого світла). До 1967 року чорні діри називалися «застиглими зірками», «колапсарами» і «зірками, що сколлапсували».

Чорна діра має протилежність. Вона називається білою дірою. Як відомо, з чорної діри неможливо вибратися. Що стосується білих, то в них не можна проникнути.

Крім гравітаційного колапсу, причиною утворення чорної діри може бути колапс у центрі галактики або протогалактичного ока. Також існує теорія, що чорні діри з'явилися в результаті Великого Вибуху, як і наша планета. Вчені називають їх первинними.

У нашій Галактиці є одна чорна діра, яка, на думку астрофізиків, утворилася через гравітаційний колапс надмасивних об'єктів. Вчені стверджують, що подібні діри формують ядра безлічі галактик.

Астрономи Сполучених Штатів Америки припускають, що розмір великих чорних дір може бути істотно недооцінений. Їх припущення ґрунтуються на тому, що для досягнення зірками тієї швидкості, з якою вони рухаються галактикою M87, що знаходиться в 50 мільйонах світлових років від нашої планети, маса чорний діри в центрі галактики M87 повинна бути не менше 6,5 мільярдів мас Сонця. Наразі ж прийнято вважати, що вага найбільшої чорної діри становить 3 мільярди сонячних мас, тобто більш ніж удвічі менше.

Синтез чорних дір

Існує теорія, що ці об'єкти можуть з'являтися в результаті ядерних реакцій. Вчені дали їм назву квантові чорні дари. Їх мінімальний діаметр становить 10-18 м, а найменша маса - 10-5 г.

Для синтезу мікроскопічних чорних дір був побудований Великий адронний колайдер. Передбачалося, що з його допомогою вдасться не тільки синтезувати чорну діру, але і змоделювати Великий Вибух, що дозволило б відтворити процес утворення безлічі космічних об'єктів, в тому числі і планети Земля. Однак експеримент провалився, оскільки енергії для створення чорних дір не вистачило.