Гравитационный коллапс — это процесс, при котором вещество под действием собственной гравитации сжимается до состояния крайне высокой плотности. Ключевым условием начала коллапса является преобладание гравитационной энергии над внутренними силами давления, способными удерживать объект от сжатия. Для звёзд это происходит после того, как термоядерное горение исчерпало свои ресурсы, и давление излучения или термоядерного источника больше не компенсирует притяжение.
Критические массы и устойчивость:
Предколлаптическая стадия: На этом этапе звезда или массивное скопление вещества находится в гидростатическом равновесии. Давление термоядерных реакций или вырождения противостоит силе тяжести. Любое значительное истощение источников давления запускает процесс сжатия.
Начало коллапса: При превышении критической массы внутренние силы не способны удержать объект. Происходит ускоренное сжатие, сопровождаемое увеличением плотности и температур. В случае массивных звёзд этот этап может быть связан с выбросом внешних слоёв в виде сверхновой.
Образование горизонта событий: Когда радиус сжимающегося объекта становится меньше радиуса Шварцшильда
$$ r_s = \frac{2GM}{c^2}, $$
появляется горизонт событий — граница, за которой никакая информация, включая свет, не может покинуть область. Внутри горизонта все траектории направлены к центру сингулярности.
Финальная сингулярность: Теоретически коллапс ведёт к образованию точки с бесконечной плотностью и нулевым объёмом. Современные квантовые теории предполагают, что полная сингулярность может быть заменена состоянием с конечной, но крайне высокой плотностью, что делает её исследование предметом активной науки.
В процессе коллапса звезда может терять значительную часть массы через:
Общая теория относительности играет ключевую роль в описании коллапса. Уравнения Эйнштейна для сферически симметричного объекта:
$$ G_{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu}, $$
описывают взаимосвязь кривизны пространства-времени и распределения энергии. Решения типа Шварцшильда дают точную метрику вне сферически симметричного тела. Внутри объекта динамика коллапса учитывает давление и плотность, приводя к формированию горизонта событий и сингулярности.
Ключевые моменты релятивистской модели:
Хотя классическая теория описывает коллапс как образование сингулярности, квантовые эффекты, такие как радиация Хокинга, предполагают, что чёрные дыры могут медленно терять массу, излучая тепло. Это поднимает фундаментальные вопросы о сохранении информации и микросостояниях гравитационных объектов.
Основные следствия квантового подхода:
Чёрные дыры имеют температуру, обратную их массе:
$$ T_H = \frac{\hbar c^3}{8 \pi G M k_B}. $$
С течением времени масса уменьшается, что влияет на динамику горизонта событий.
Понимание микроструктуры горизонта требует объединения общей теории относительности и квантовой механики.