[科普中國(guó)]-引力坍縮

簡(jiǎn)介

引力坍縮（英文：Gravitational collapse）是天體物理學(xué)上恒星或星際物質(zhì)在自身物質(zhì)的引力作用下向內(nèi)塌陷的過程，產(chǎn)生這種情況的原因是恒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(xù)維持原有的流體靜力學(xué)平衡，引力使恒星物質(zhì)彼此拉近而產(chǎn)生坍縮。在天文學(xué)中，恒星形成或衰亡的過程都會(huì)經(jīng)歷相應(yīng)的引力坍縮。特別地，引力坍縮被認(rèn)為是Ib和Ic型超新星以及II型超新星形成的機(jī)制，大質(zhì)量恒星坍縮成黑洞時(shí)的引力坍縮也有可能是伽瑪射線暴的形成機(jī)制之一。至今人們對(duì)引力坍縮在理論基礎(chǔ)上還不十分了解，很多細(xì)節(jié)仍然沒有得到理論上的完善闡釋。由于在引力坍縮中很有可能伴隨著引力波的釋放，通過對(duì)引力坍縮進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬以預(yù)測(cè)其釋放的引力波波形是當(dāng)前引力波天文學(xué)界研究的課題之一。1

舉例比如，質(zhì)量大于8～10太陽(yáng)質(zhì)量的大質(zhì)量恒星演化到晚期時(shí)，其中心區(qū)域產(chǎn)能不足或能量被中微子大量帶走，致使輻射壓不足以抵御恒星自身引力的作用，從而發(fā)生引力坍縮。一般來說，恒星的引力坍縮的結(jié)果是形成一顆致密星，如白矮星、中子星、黑洞等。對(duì)于質(zhì)量小于太陽(yáng)質(zhì)量1.3倍的星體，泡利不相容原理引起的電子簡(jiǎn)并壓力將支撐其自身的重量，形成白矮星2。質(zhì)量在太陽(yáng)質(zhì)量1.3-3.2倍之間的星體，中子簡(jiǎn)并壓力將支撐其自身的重量，形成中子星。質(zhì)量大于太陽(yáng)質(zhì)量3.2倍的星體，沒有任何結(jié)構(gòu)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(zhì)的拋射。例如，超新星爆發(fā)時(shí)，其中心部分會(huì)坍縮形成致密星，而外部則被拋射到空間，形成超新星遺跡，整個(gè)過程釋放大量的能量。

在引力坍縮過程中﹐恒星中心部分形成致密星﹐并可能伴有大量的能量釋放和物質(zhì)的拋射。

形成恒星核心區(qū)經(jīng)過氧燃燒的核反應(yīng)階段之后﹐如果質(zhì)量大于錢德拉塞卡極限﹐并且由鐵族核素構(gòu)成時(shí)﹐它的等效多方指數(shù)γ接近臨界值4/3(見恒星球的平衡及穩(wěn)定)。這時(shí)恒星中心溫度約為6×10K﹐它將發(fā)生引力坍縮過程。在這個(gè)階段﹐恒星中心溫度很高﹐各類中微子產(chǎn)生過程(例如光生中微子過程，電子對(duì)湮沒中微子過程﹑中微子軔致輻射等)都會(huì)引起中微子將中心部分的能量迅速帶走﹐使恒星核心區(qū)很快冷卻﹐以致輻射壓力不足以抵御自引力的作用﹐從而形成引力坍縮。

恒星形成中的引力坍縮恒星形成于星際間塵埃和氣體構(gòu)成的巨型星云[4]，這些星云中的粒子通常狀態(tài)下以高速隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，彼此間的引力不足以將它們壓縮到一起。但當(dāng)外界條件（例如臨近的超新星爆發(fā)或者其他激變事件的發(fā)生）允許時(shí)，這些星云被足夠強(qiáng)的壓力壓縮以至于引力能夠克服這些粒子的運(yùn)動(dòng)使它們彼此靠攏。于是星云開始引力坍縮的過程，并且其速度越來越快，由于角動(dòng)量守恒的制約最終從原先龐大的星云中分離出許多小的但更致密的星云，這一過程也經(jīng)常稱作引力凝聚（gravitational condensation）。這些星云繼續(xù)在自身的引力作用下發(fā)生坍縮，同時(shí)坍縮的能量不斷轉(zhuǎn)化成星云的內(nèi)能，在星云內(nèi)部產(chǎn)生向外的輻射壓，這個(gè)輻射壓能夠通過平衡向內(nèi)的引力逐漸減緩并最終停止引力坍縮。當(dāng)輻射壓與引力彼此平衡時(shí)，星云坍縮為一個(gè)具有一定密度的球體，這被稱作原恒星。原恒星的周圍仍然充斥著厚重的星際氣體和塵埃。天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)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(gè)約大于1/10倍太陽(yáng)質(zhì)量的原恒星能夠具有足夠高的溫度和密度發(fā)生氫核聚變，從而能夠演化為主序星，在主序星階段提供恒星輻射壓的主要來源就是這種氫核聚變。而小于這一質(zhì)量的原恒星只能形成褐矮星或次恒星天體，它們不能進(jìn)行氫核聚變，但有些可以進(jìn)行氘核聚變；更小的原恒星只有成為行星的可能，正如太陽(yáng)系中的大行星那樣3。

恒星衰亡中的引力坍縮我們主要詳細(xì)討論恒星衰亡中的引力坍縮過程，這發(fā)生在恒星演化的最后階段。由于支持恒星的輻射壓來自于恒星內(nèi)部輕元素到重元素的聚變而產(chǎn)生的熱量，當(dāng)恒星的核燃料消耗殆盡后，恒星的溫度會(huì)逐漸冷卻，輻射壓從而逐漸不能平衡恒星自身的引力而產(chǎn)生坍縮，而恒星的半徑會(huì)逐漸減小。從物理上研究引力坍縮的基礎(chǔ)是廣義相對(duì)論，因此我們考慮如下的恒星模型。

反應(yīng)當(dāng)恒星中心密度足夠大時(shí)﹐在引力坍縮中發(fā)生下列反應(yīng)﹕e +(Z﹐A )→+(Z -1﹐A )。e 為電子。(Z﹐A )是質(zhì)子數(shù)為Z ﹐核子數(shù)為A 的原子核﹔為電子中微子。這種過程引起物質(zhì)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(xiàn)強(qiáng)的激波﹐它引起恒星外層物質(zhì)的拋射。但在有些條件下(如γ>4/3)﹐坍縮過程并不一定伴有質(zhì)量拋射。不同質(zhì)量的恒星﹐在引力坍縮后有可能形成各種不同類型的致密星。4

引力坍縮中的引力輻射由于超新星的引力坍縮并不是高度對(duì)稱的，這一點(diǎn)已經(jīng)在對(duì)超新星SN 1987A的觀測(cè)中得到證實(shí)超新星的爆發(fā)很有可能是一種重要的引力波源，按照不同情況可分為三類。

在超新星引力坍縮開始后形成中子星的最初期（～0.1秒），這個(gè)新生的中子星處于高度不穩(wěn)定的對(duì)流狀態(tài)，同時(shí)它也是高溫并且是非球?qū)ΨQ的，處于一種“沸騰”的狀態(tài)。這種沸騰能夠使中心熾熱的核物質(zhì)（～10開爾文）上升到中子星的表面，并被表面的中微子流冷卻。理論上這一過程中非對(duì)稱的中子星的自轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)微弱的并具有周期性的引力輻射。據(jù)推測(cè)，這個(gè)過程中可能會(huì)產(chǎn)生大概在10個(gè)周期上的引力波，頻率在100赫茲左右，強(qiáng)度在的量級(jí)（r是超新星到地球的距離）。這類事件由于有熾熱的中微子流的存在，可以由中微子探測(cè)器與引力波探測(cè)器進(jìn)行相關(guān)符合測(cè)量。

在超新星的引力坍縮過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使坍縮的內(nèi)核逐漸變得扁平，從而開始發(fā)生引力輻射。如果內(nèi)核的角動(dòng)量足夠小以至于離心力不足以使坍縮在內(nèi)核達(dá)到原子核的密度之前就停下，那么內(nèi)核的坍縮、反彈以及之后發(fā)生的振蕩很有可能是軸對(duì)稱的。因此這期間會(huì)產(chǎn)生一種持續(xù)時(shí)間很短且無周期性的引力波的突發(fā)信號(hào)（burst），并伴隨有電子俘獲和中微子輸運(yùn)的過程。但引力輻射的波形和振幅都很難從理論上預(yù)測(cè)，現(xiàn)在只有數(shù)值模擬的方法。這種突發(fā)信號(hào)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(gè)頻率的周期性啁啾信號(hào)。理論上估計(jì)如果其發(fā)射的能量要大于0.01倍太陽(yáng)質(zhì)量，現(xiàn)在的地面探測(cè)器則有可能觀測(cè)到發(fā)生在室女座星系團(tuán)之內(nèi)的這類事件。但事實(shí)上數(shù)值模擬的結(jié)果顯示這部分引力輻射的能量非常少，一般認(rèn)為輻射能量不會(huì)超過超新星總質(zhì)量的，相應(yīng)的強(qiáng)度在的量級(jí)之下，這對(duì)于現(xiàn)在的地面引力波探測(cè)器LIGO和VIRGO而言將無法探測(cè)到本星系群以外的此類事件。

如果在坍縮過程中內(nèi)核的角動(dòng)量足夠大以至于它能使坍縮在內(nèi)核達(dá)到原子核的密度之前就停下，則這過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性有可能破壞內(nèi)核的軸對(duì)稱性。內(nèi)核有可能形成一種自轉(zhuǎn)的棒狀結(jié)構(gòu)，并有可能碎裂成更多大質(zhì)量的碎塊。這個(gè)過程所形成的引力波強(qiáng)度有可能可以與雙中子星旋近時(shí)的引力波強(qiáng)度相媲美。這種強(qiáng)度的引力波信號(hào)可以被現(xiàn)在的LIGO和VIRGO探測(cè)至室女座星系團(tuán)之內(nèi)（超新星爆發(fā)幾率為每年幾次），并有可能在下一代探測(cè)器中延伸到超新星爆發(fā)幾率為每年幾萬次的范圍3。