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引力坍缩

引力坍缩(英文:Gravitational collapse)是天体物理学上恒星或星际物质在自身物质的引力作用下向内塌陷的过程,产生这种情况的原因是恒星本身不能提供足够的压力以平衡自身的引力,从而无法继续维持原有的流体静力学平衡,引力使恒星物质彼此拉近而产生坍缩。

引力坍缩(英文:Gravitational collapse)是天体物理学上恒星或星际物质在自身物质的引力作用下向内塌陷的过程,产生这种情况的原因是恒星本身不能提供足够的压力以平衡自身的引力,从而无法继续维持原有的流体静力学平衡,引力使恒星物质彼此拉近而产生坍缩。在天文学中,恒星形成或衰亡的过程都会经历相应的引力坍缩。特别地,引力坍缩被认为是Ib和Ic型超新星以及II型超新星形成的机制,大质量恒星坍缩成黑洞时的引力坍缩也有可能是伽玛射线暴的形成机制之一。至今人们对引力坍缩在理论基础上还不十分了解,很多细节仍然没有得到理论上的完善阐释。由于在引力坍缩中很有可能伴随着引力波的释放,通过对引力坍缩进行计算机数值模拟以预测其释放的引力波波形是当前引力波天文学界研究的课题之一。 [1]

比如,质量大于8~10太阳质量的大质量恒星演化到晚期时,其中心区域产能不足或能量被中微子大量带走,致使辐射压不足以抵御恒星自身引力的作用,从而发生引力坍缩。一般来说,恒星的引力坍缩的结果是形成一颗致密星,如白矮星、中子星、黑洞等。对于质量小于太阳质量1.3倍的星体,泡利不相容原理引起的电子简并压力将支撑其自身的重量,形成白矮星。质量在太阳质量1.3-3.2倍之间的星体,中子简并压力将支撑其自身的重量,形成中子星。质量大于太阳质量3.2倍的星体,没有任何结构可以支撑其自身的重量,它们将坍缩为黑洞。 有些引力坍缩还伴有大量的能量释放和物质的抛射。例如,超新星爆发时,其中心部分会坍缩形成致密星,而外部则被抛射到空间,形成超新星遗迹,整个过程释放大量的能量。

在引力坍缩过程中恒星中心部分形成致密星并可能伴有大量的能量释放和物质的抛射。

恒星核心区经过氧燃烧的核反应阶段之后如果质量大于钱德拉塞卡极限并且由铁族核素构成时它的等效多方指数γ接近临界值4/3(见恒星球的平衡及稳定)。这时恒星中心温度约为6×109K它将发生引力坍缩过程。在这个阶段恒星中心温度很高各类中微子产生过程(例如光生中微子过程,电子对湮没中微子过程中微子轫致辐射等)都会引起中微子将中心部分的能量迅速带走使恒星核心区很快冷却以致辐射压力不足以抵御自引力的作用从而形成引力坍缩。

恒星形成于星际间尘埃和气体构成的巨型星云,这些星云中的粒子通常状态下以高速随机运动,彼此间的引力不足以将它们压缩到一起。但当外界条件(例如临近的超新星爆发或者其他激变事件的发生)允许时,这些星云被足够强的压力压缩以至于引力能够克服这些粒子的运动使它们彼此靠拢。于是星云开始引力坍缩的过程,并且其速度越来越快,由于角动量守恒的制约最终从原先庞大的星云中分离出许多小的但更致密的星云,这一过程也经常称作引力凝聚(gravitational condensation)。这些星云继续在自身的引力作用下发生坍缩,同时坍缩的能量不断转化成星云的内能,在星云内部产生向外的辐射压,这个辐射压能够通过平衡向内的引力逐渐减缓并最终停止引力坍缩。当辐射压与引力彼此平衡时,星云坍缩为一个具有一定密度的球体,这被称作原恒星。原恒星的周围仍然充斥着厚重的星际气体和尘埃。天文学家已经观测到部分引力凝聚的过程,但这一过程还没有得到全面的了解[1]。

一个约大于1/10倍太阳质量的原恒星能够具有足够高的温度和密度发生氢核聚变,从而能够演化为主序星,在主序星阶段提供恒星辐射压的主要来源就是这种氢核聚变。而小于这一质量的原恒星只能形成褐矮星或次恒星天体,它们不能进行氢核聚变,但有些可以进行氘核聚变;更小的原恒星只有成为行星的可能,正如太阳系中的大行星那样 [2]

我们主要详细讨论恒星衰亡中的引力坍缩过程,这发生在恒星演化的最后阶段。由于支持恒星的辐射压来自于恒星内部轻元素到重元素的聚变而产生的热量,当恒星的核燃料消耗殆尽后,恒星的温度会逐渐冷却,辐射压从而逐渐不能平衡恒星自身的引力而产生坍缩,而恒星的半径会逐渐减小。从物理上研究引力坍缩的基础是广义相对论,因此我们考虑如下的恒星模型。

当恒星中心密度足够大时在引力坍缩中发生下列反应e +(ZA )→ve+(Z -1A )。e 为电子。(ZA )是质子数为Z 核子数为A 的原子核ve为电子中微子。这种过程引起物质的中子化。在一定条件下(例如γ≈4/3)引力坍缩过程中将出现强的激波它引起恒星外层物质的抛射。但在有些条件下(如γ>>4/3)坍缩过程并不一定伴有质量抛射。不同质量的恒星在引力坍缩后有可能形成各种不同类型的致密星。 [3]

由于超新星的引力坍缩并不是高度对称的,这一点已经在对超新星SN 1987A的观测中得到证实超新星的爆发很有可能是一种重要的引力波源,按照不同情况可分为三类。

在超新星引力坍缩开始后形成中子星的最初期(~0.1秒),这个新生的中子星处于高度不稳定的对流状态,同时它也是高温并且是非球对称的,处于一种“沸腾”的状态。这种沸腾能够使中心炽热的核物质(~1012开尔文)上升到中子星的表面,并被表面的中微子流冷却。理论上这一过程中非对称的中子星的自转会产生相当微弱的并具有周期性的引力辐射。据推测,这个过程中可能会产生大概在10个周期上的引力波,频率在100赫兹左右,强度在

在超新星的引力坍缩过程中,转动会使坍缩的内核逐渐变得扁平,从而开始发生引力辐射。如果内核的角动量足够小以至于离心力不足以使坍缩在内核达到原子核的密度之前就停下,那么内核的坍缩、反弹以及之后发生的振荡很有可能是轴对称的。因此这期间会产生一种持续时间很短且无周期性的引力波的突发信号(burst),并伴随有电子俘获和中微子输运的过程。但引力辐射的波形和振幅都很难从理论上预测,现在只有数值模拟的方法。这种突发信号可能频带很宽,中心频率在1千赫兹;或者有可能是在200赫兹到10千赫兹之间任意一个频率的周期性啁啾信号。理论上估计如果其发射的能量要大于0.01倍太阳质量,现在的地面探测器则有可能观测到发生在室女座星系团之内的这类事件。但事实上数值模拟的结果显示这部分引力辐射的能量非常少,一般认为辐射能量不会超过超新星总质量的

如果在坍缩过程中内核的角动量足够大以至于它能使坍缩在内核达到原子核的密度之前就停下,则这过程中产生的动态不稳定性有可能破坏内核的轴对称性。内核有可能形成一种自转的棒状结构,并有可能碎裂成更多大质量的碎块。这个过程所形成的引力波强度有可能可以与双中子星旋近时的引力波强度相媲美。这种强度的引力波信号可以被现在的LIGO和VIRGO探测至室女座星系团之内(超新星爆发几率为每年几次),并有可能在下一代探测器中延伸到超新星爆发几率为每年几万次的范围 [2]


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