基本介紹
- 中文名：引力坍縮
- 外文名：gravitational collapse
- 相關學科：物理，天文
- 現象：天體向中心猛烈下落
- 反應：e +(Z﹐A )→ve+(Z -1﹐A )
- 星系：恆星
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基本介紹
引力坍縮（英文：Gravitational collapse）是天體物理學上恆星或星際物質在自身物質的引力作用下向內塌陷的過程，產生這種情況的原因是恆星本身不能提供足夠的壓力以平衡自身的引力，從而無法繼續維持原有的流體靜力學平衡，引力使恆星物質彼此拉近而產生坍縮。在天文學中，恆星形成或衰亡的過程都會經歷相應的引力坍縮。特別地，引力坍縮被認為是Ib和Ic型超新星以及II型超新星形成的機制，大質量恆星坍縮成黑洞時的引力坍縮也有可能是伽瑪射線暴的形成機制之一。至今人們對引力坍縮在理論基礎上還不十分了解，很多細節仍然沒有得到理論上的完善闡釋。由於在引力坍縮中很有可能伴隨著引力波的釋放，通過對引力坍縮進行計算機數值模擬以預測其釋放的引力波波形是當前引力波天文學界研究的課題之一。
舉例
比如，質量大於8～10太陽質量的大質量恆星演化到晚期時，其中心區域產能不足或能量被中微子大量帶走，致使輻射壓不足以抵禦恆星自身引力的作用，從而發生引力坍縮。一般來說，恆星的引力坍縮的結果是形成一顆緻密星，如白矮星、中子星、黑洞等。對於質量小於太陽質量1.3倍的星體，泡利不相容原理引起的電子簡併壓力將支撐其自身的重量，形成白矮星。質量在太陽質量1.3-3.2倍之間的星體，中子簡併壓力將支撐其自身的重量，形成中子星。質量大於太陽質量3.2倍的星體，沒有任何結構可以支撐其自身的重量，它們將坍縮為黑洞。 有些引力坍縮還伴有大量的能量釋放和物質的拋射。例如，超新星爆發時，其中心部分會坍縮形成緻密星，而外部則被拋射到空間，形成超新星遺蹟，整個過程釋放大量的能量。
在引力坍縮過程中﹐恆星中心部分形成緻密星﹐並可能伴有大量的能量釋放和物質的拋射。
形成
恆星核心區經過氧燃燒的核反應階段之後﹐如果質量大於錢德拉塞卡極限﹐並且由鐵族核素構成時﹐它的等效多方指數γ接近臨界值4/3（見恆星球的平衡及穩定）。這時恆星中心溫度約為6×109K﹐它將發生引力坍縮過程。在這個階段﹐恆星中心溫度很高﹐各類中微子產生過程（例如光生中微子過程，電子對湮沒中微子過程﹑中微子軔致輻射等）都會引起中微子將中心部分的能量迅速帶走﹐使恆星核心區很快冷卻﹐以致輻射壓力不足以抵禦自引力的作用﹐從而形成引力坍縮。
恆星形成中
恆星形成於星際間塵埃和氣體構成的巨型星雲，這些星雲中的粒子通常狀態下以高速隨機運動，彼此間的引力不足以將它們壓縮到一起。但當外界條件（例如臨近的超新星爆發或者其他激變事件的發生）允許時，這些星雲被足夠強的壓力壓縮以至於引力能夠克服這些粒子的運動使它們彼此靠攏。於是星雲開始引力坍縮的過程，並且其速度越來越快，由於角動量守恆的制約最終從原先龐大的星雲中分離出許多小的但更緻密的星雲，這一過程也經常稱作引力凝聚（gravitational condensation）。這些星雲繼續在自身的引力作用下發生坍縮，同時坍縮的能量不斷轉化成星雲的內能，在星雲內部產生向外的輻射壓，這個輻射壓能夠通過平衡向內的引力逐漸減緩並最終停止引力坍縮。當輻射壓與引力彼此平衡時，星雲坍縮為一個具有一定密度的球體，這被稱作原恆星。原恆星的周圍仍然充斥著厚重的星際氣體和塵埃。天文學家已經觀測到部分引力凝聚的過程，但這一過程還沒有得到全面的了解[1]。
一個約大於1/10倍太陽質量的原恆星能夠具有足夠高的溫度和密度發生氫核聚變，從而能夠演化為主序星，在主序星階段提供恆星輻射壓的主要來源就是這種氫核聚變。而小於這一質量的原恆星只能形成褐矮星或次恆星天體，它們不能進行氫核聚變，但有些可以進行氘核聚變；更小的原恆星只有成為行星的可能，正如太陽系中的大行星那樣。
恆星衰亡中
我們主要詳細討論恆星衰亡中的引力坍縮過程，這發生在恆星演化的最後階段。由於支持恆星的輻射壓來自於恆星內部輕元素到重元素的聚變而產生的熱量，當恆星的核燃料消耗殆盡後，恆星的溫度會逐漸冷卻，輻射壓從而逐漸不能平衡恆星自身的引力而產生坍縮，而恆星的半徑會逐漸減小。從物理上研究引力坍縮的基礎是廣義相對論，因此我們考慮如下的恆星模型。
反應
當恆星中心密度足夠大時﹐在引力坍縮中發生下列反應﹕e +(Z﹐A )→ve+(Z -1﹐A )。e 為電子。(Z﹐A )是質子數為Z ﹐核子數為A 的原子核﹔ve為電子中微子。這種過程引起物質的中子化。在一定條件下(例如γ≈4/3)﹐引力坍縮過程中將出現強的激波﹐它引起恆星外層物質的拋射。但在有些條件下(如γ>>4/3)﹐坍縮過程並不一定伴有質量拋射。不同質量的恆星﹐在引力坍縮後有可能形成各種不同類型的緻密星。
引力輻射
在超新星引力坍縮開始後形成中子星的最初期（～0.1秒），這個新生的中子星處於高度不穩定的對流狀態，同時它也是高溫並且是非球對稱的，處於一種“沸騰”的狀態。這種沸騰能夠使中心熾熱的核物質（～1012開爾文）上升到中子星的表面，並被表面的中微子流冷卻。理論上這一過程中非對稱的中子星的自轉會產生相當微弱的並具有周期性的引力輻射。據推測，這個過程中可能會產生大概在10個周期上的引力波，頻率在100赫茲左右，強度在
的量級（r是超新星到地球的距離）。這類事件由於有熾熱的中微子流的存在，可以由中微子探測器與引力波探測器進行相關符合測量。
在超新星的引力坍縮過程中，轉動會使坍縮的核心逐漸變得扁平，從而開始發生引力輻射。如果核心的角動量足夠小以至於離心力不足以使坍縮在核心達到原子核的密度之前就停下，那么核心的坍縮、反彈以及之後發生的振盪很有可能是軸對稱的。因此這期間會產生一種持續時間很短且無周期性的引力波的突發信號（burst），並伴隨有電子俘獲和中微子輸運的過程。但引力輻射的波形和振幅都很難從理論上預測，現在只有數值模擬的方法。這種突發信號可能頻帶很寬，中心頻率在1千赫茲；或者有可能是在200赫茲到10千赫茲之間任意一個頻率的周期性啁啾信號。理論上估計如果其發射的能量要大於0.01倍太陽質量，現在的地面探測器則有可能觀測到發生在室女座星系團之內的這類事件。但事實上數值模擬的結果顯示這部分引力輻射的能量非常少，一般認為輻射能量不會超過超新星總質量的
，相應的強度在
的量級之下，這對於現在的地面引力波探測器LIGO和VIRGO而言將無法探測到本星系群以外的此類事件。
如果在坍縮過程中核心的角動量足夠大以至於它能使坍縮在核心達到原子核的密度之前就停下，則這過程中產生的動態不穩定性有可能破壞核心的軸對稱性。核心有可能形成一種自轉的棒狀結構，並有可能碎裂成更多大質量的碎塊。這個過程所形成的引力波強度有可能可以與雙中子星旋近時的引力波強度相媲美。這種強度的引力波信號可以被現在的LIGO和VIRGO探測至室女座星系團之內（超新星爆發幾率為每年幾次），並有可能在下一代探測器中延伸到超新星爆發幾率為每年幾萬次的範圍。
