После того как звезда исчерпывает свои термоядерные источники энергии, её дальнейшая судьба определяется её начальной массой. Результатом эволюции могут быть три типа компактных объектов: белые карлики, нейтронные звезды или чёрные дыры. Эти объекты обладают колоссальной плотностью вещества и радикально отличаются от обычных звёзд.
Белые карлики — это остатки звёзд начальной массой до ~8 масс Солнца. После стадии красного гиганта звезда сбрасывает внешние оболочки, оставляя после себя горячее ядро, состоящее преимущественно из углерода и кислорода. Это ядро и становится белым карликом.
Температура поверхности может достигать 100 000 К, однако из-за малой площади излучение сравнительно слабо. Постепенно белый карлик охлаждается, не имея источников энергии, кроме теплового остатка.
Белый карлик поддерживается против гравитационного сжатия благодаря давлению вырожденного электронного газа. Однако существует предел Чандрасекара — максимальная масса белого карлика, при которой давление электронов способно компенсировать силу гравитации. Этот предел равен примерно:
MCh ≈ 1.44 M⊙
Если масса остатка превышает эту величину, объект не может остаться белым карликом и эволюционирует в нейтронную звезду или чёрную дыру.
Нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса ядра массивной звезды (8–25 масс Солнца) после вспышки сверхновой. Давление электронного вырождения уже не способно остановить коллапс, и электроны сливаются с протонами, образуя нейтроны:
p + e− → n + νe
Плотность нейтронной звезды сравнима с плотностью атомного ядра:
ρ ∼ 1014 − 1015 г/см3
Радиус нейтронной звезды порядка 10–15 км при массе около 1.4–2.1 масс Солнца.
Поддержка нейтронной звезды осуществляется давлением вырожденного нейтронного газа, а также возможным вкладом сверхплотных форм материи — гиперонов, мезонного конденсата, кварков. Точное уравнение состояния материи на таких плотностях остаётся предметом активных исследований.
Нейтронные звёзды обладают чрезвычайно сильными магнитными полями (до 1015 Гс) и быстро вращаются. Если ось вращения не совпадает с магнитной осью, нейтронная звезда излучает в радиодиапазоне — такие объекты наблюдаются как пульсары.
Если масса коллапсирующего ядра после вспышки сверхновой превышает предел Оппенгеймера–Волкова (~2.1–2.3 M☉), никакая форма давления не способна остановить гравитационный коллапс. Объект сжимается до такой степени, что формируется чёрная дыра — область пространства, за пределами которой ни свет, ни информация не могут выйти наружу.
Основной характеристикой невращающейся, незаряженной чёрной дыры является её радиус Шварцшильда:
$$ R_s = \frac{2GM}{c^2} $$
Где:
Для объекта с массой Солнца этот радиус составляет около 3 км.
Горизонт событий — это граница, за которой причинно-следственные связи нарушаются: никакие сигналы не могут быть переданы наружу. Вся материя, пересекающая горизонт событий, необратимо исчезает из внешнего мира.
Общие решения уравнений Эйнштейна допускают более сложные чёрные дыры:
Эти объекты обладают более сложной структурой горизонта событий и возможным наличием эргосферы, где происходит извлечение энергии из вращения чёрной дыры.
| Параметр | Белый карлик | Нейтронная звезда | Чёрная дыра |
|---|---|---|---|
| Масса | до 1.44 M☉ | ~1.4–2.1 M☉ | >2.3 M☉ |
| Радиус | ~10⁴ км | ~10–15 км | Rs = 3 км ⋅ M/M⊙ |
| Поддержка | Вырожденные электроны | Вырожденные нейтроны | Нет |
| Плотность | 106 г/см³ | 1014 г/см³ | ∞ (сингулярность) |
| Температура излучения | ~10⁴–10⁵ K | ~10⁵–10⁶ K | Только аккреция |
| Излучение | Слабое тепловое | Пульсары, рентген | Гравитационные волны |
| Возможность прямого наблюдения | Да | Да (пульсары, рентген) | Нет (только косвенно) |
Компактные объекты, особенно в составе двойных систем, проявляют себя через аккрецию вещества от компаньона. При этом высвобождается колоссальное количество энергии:
Современная астрофизика предоставляет средства для исследования этих объектов не только по электромагнитному излучению. Гравитационно-волновая астрономия, начатая наблюдением слияния двух чёрных дыр в 2015 году (LIGO), позволяет детектировать:
Эти события сопровождаются колоссальными выбросами энергии, иногда сопутствующими гамма-всплесками и килоновыми.
Компактные объекты — ключ к пониманию предельных состояний материи, экстремальных гравитационных полей и процессов в условиях, недостижимых в земных лабораториях. Изучение белых карликов позволяет уточнять космологические расстояния и расширение Вселенной, нейтронные звезды — исследовать ядерную материю, а чёрные дыры — проверять пределы общей теории относительности.