Формирование чёрных дыр является ключевым процессом в астрофизике и
связано с коллапсом массивных объектов под действием собственной
гравитации. Существует несколько основных сценариев образования чёрных
дыр, которые различаются по массе исходного объекта и условиям
коллапса.
1. Коллапс массивных звёзд
Звёздные чёрные дыры образуются при коллапсе массивных звёзд (масса
которых превышает примерно 20 солнечных масс) после исчерпания
термоядерного топлива. В этот момент звезда теряет способность
противостоять гравитационному сжатию, и её ядро коллапсирует:
- Жёлтый супергигант и коллапс ядра: После стадии
сверхновой формируется плотное ядро из нейтронной материи. Если масса
ядра превышает предел Оппенгеймера–Волкова (~2,1–2,3 M☉), нейтронная
звезда неустойчива, и коллапс продолжается, образуя чёрную дыру.
- Формирование горизонта событий: В момент, когда
радиус сжатого ядра становится меньше радиуса Шварцшильда для данной
массы, формируется событие, из которого свет и материя не могут
выйти.
2. Первичные чёрные дыры
Первичные чёрные дыры могли образоваться в ранней Вселенной из-за
плотностных флуктуаций в чрезвычайно плотной плазме после Большого
взрыва. Их масса может варьироваться от микроскопической до сотен
солнечных масс:
- Механизм: Локальные аномалии плотности в
расширяющейся вселенной коллапсируют под действием гравитации.
- Космологическая роль: Могут служить кандидатом на
часть тёмной материи и являться семенами для формирования галактик.
3. Слияние нейтронных звёзд и чёрных дыр
Системы двойных нейтронных звёзд могут с течением времени терять
энергию через гравитационные волны, что приводит к их слиянию. Если
итоговая масса превышает предел устойчивости нейтронной звезды,
формируется чёрная дыра.
Рост чёрных дыр
После формирования чёрные дыры продолжают расти за счёт поглощения
вещества и слияния с другими компактными объектами. Основные механизмы
роста включают:
1. Аккреция вещества
Аккреция — это процесс, при котором материя из окружающей среды
падает на чёрную дыру. Она сопровождается выделением огромного
количества энергии:
- Аккреционный диск: Вещество, вращающееся вокруг
чёрной дыры, формирует диск, в котором фрикционные процессы разогревают
материю до миллионов градусов. Излучение рентгеновского диапазона
является характерным признаком активного аккрецирующего объекта.
- Эффективность превращения массы в энергию: В случае
вращающейся чёрной дыры (Керровский тип) эффективность аккреции
достигает 40%, что значительно превышает термоядерные реакции в звёздах
(~0,7%).
2. Слияния компактных объектов
Слияния двух чёрных дыр или чёрной дыры с нейтронной звездой приводят
к увеличению массы конечного объекта:
- Гравитационные волны: Этот процесс сопровождается
мощными всплесками гравитационных волн, регистрируемых современными
детекторами, такими как LIGO и Virgo.
- Рост массы и спина: Слияния могут существенно
изменять вращение (спин) конечной чёрной дыры, что влияет на дальнейшую
динамику аккреции.
3. Долговременный рост в центрах галактик
Сверхмассивные чёрные дыры (массы 106–1010 M☉) формируются
и растут в ядрах галактик:
- Газовая аккреция: Потоки межзвёздного газа падают в
центр галактики, способствуя росту чёрной дыры.
- Слияния галактик: При объединении галактик
центральные чёрные дыры также сливаются, создавая ещё более массивные
объекты.
- Обратная связь: Энергия, выделяемая аккрецирующей
чёрной дырой (например, в виде джетов и излучения), может регулировать
звездообразование в галактике, замедляя дальнейший рост вещества.
Ключевые
физические аспекты формирования и роста
- Масса и радиус Шварцшильда: Радиус события R_s =
2GM/c^2 определяет критический размер для образования горизонта событий.
Для роста чёрной дыры масса напрямую увеличивает радиус горизонта.
- Энергетический баланс: При аккреции высвобождается
энергия, которая может препятствовать дальнейшему притоку вещества,
создавая регулируемый рост.
- Релятивистские эффекты: Вблизи горизонта событий
проявляются эффекты общей теории относительности: искривление времени,
гравитационное красное смещение, сильная лоренцова деформация траекторий
падающей материи.
- Влияние спина: Вращающиеся чёрные дыры обладают
дополнительной энергией, которая может ускорять джеты и повышать
эффективность аккреции.