Gravitationskollaps

Der Gravitationskollaps ist die unkontrollierte Kontraktion eines massereichen Körpers unter seiner eigenen Schwerkraft, sobald der Innendruck ihn nicht mehr stützen kann, ein Prozess, der Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher bildet.

Definition

Gravitationskollaps ist die dynamische Kontraktion eines selbstgravitierenden Körpers, wenn die Druckstützung versagt, was entweder zu einem stabilen kompakten Überrest wie einem Weißen Zwerg oder Neutronenstern führt oder, oberhalb einer kritischen Masse, zur Bildung eines Ereignishorizonts und einer Singularität eines Schwarzen Lochs.

Scope

Dieses Thema behandelt das Gleichgewicht und die Stabilität kompakter Objekte, die Chandrasekhar- und Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Massengrenzen, jenseits derer keine statische Konfiguration existiert, das idealisierte Oppenheimer-Snyder-Modell des drucklosen Kollapses, das Auftreten von eingefangenen Oberflächen und die Horizontbildung, den Unterschied zwischen dem Kollaps aus der Sicht von einfallenden und entfernten Beobachtern sowie die astrophysikalischen Bedingungen von Supernovae und der Entstehung stellarmassiger Schwarzer Löcher.

Core questions

• Was bestimmt, ob ein kollabierender Stern zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch wird?
• Wie erscheint der Kollaps einem einfallenden Beobachter und einem entfernten Beobachter unterschiedlich?
• Welche Massengrenzen begrenzen die Existenz stabiler kompakter Objekte?

Key concepts

• Chandrasekhar-Grenze
• Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze
• Entartungsdruck
• Bildung eingefangener Oberflächen
• Scheinbares Einfrieren am Horizont
• Supernova-Kernkollaps

Key theories

Oppenheimer-Snyder-Kollaps

Der idealisierte Kollaps einer homogenen drucklosen Kugel zeigt, dass die Oberfläche ihren Schwarzschild-Radius in endlicher Eigenzeit überschreitet und einen Ereignishorizont bildet, während ein entfernter Beobachter den Kollaps am Horizont verlangsamen und rotverschieben sieht, was den Anschein eines Einfrierens erweckt.

Massengrenzen für kompakte Objekte

Der Entartungsdruck kann einen Weißen Zwerg nur bis zur Chandrasekhar-Grenze und einen Neutronenstern nur bis zur Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze stützen; jenseits dieser Grenzen existiert kein statisches Gleichgewicht, und ein Kollaps zu einem Schwarzen Loch ist unvermeidlich.

Clinical relevance

Der Gravitationskollaps ist der Motor hinter Kernkollaps-Supernovae, der Bildung von Neutronensternen und stellarmassigen Schwarzen Löchern sowie den als Gravitationswellen detektierten Verschmelzungen kompakter Objekte; die von ihm gesetzten Massengrenzen werden zur Interpretation der für beobachtete Neutronensterne und Schwarze Löcher abgeleiteten Massen verwendet.

History

Chandrasekhar fand die Massengrenze für Weiße Zwerge im Jahr 1931; 1939 leiteten Oppenheimer und Volkoff die Grenze für Neutronensterne ab, und Oppenheimer und Snyder veröffentlichten das erste relativistische Modell des fortgesetzten Kollapses zu einem Schwarzen Loch, Ergebnisse, die bis zur Renaissance der allgemeinen Relativitätstheorie in den 1960er Jahren weitgehend beiseite gelegt wurden.

Key figures

• J. Robert Oppenheimer
• Hartland Snyder
• Subrahmanyan Chandrasekhar
• Richard Tolman

Seminal works

• oppenheimer1939
• shapiroteukolsky1983

Frequently asked questions

Warum sieht ein entfernter Beobachter den Stern niemals den Horizont überschreiten?

Licht von der kollabierenden Oberfläche wird zunehmend rotverschoben und verzögert, wenn es nahe am Horizont aufsteigt, sodass ein weit entfernter Beobachter die Oberfläche langsamer und schwächer werden sieht, scheinbar einfrierend, obwohl die Oberfläche selbst den Horizont in endlicher Eigenzeit überschreitet.

Endet jeder massereiche Stern als Schwarzes Loch?

Nein. Das Ergebnis hängt von der Restmasse ab: Leichtere Kerne bilden Weiße Zwerge, mittelschwere bilden Neutronensterne, und nur Kerne, die die Massengrenze für Neutronensterne überschreiten, kollabieren zu Schwarzen Löchern, wobei der Massenverlust während des Lebens des Sterns das Ergebnis stark beeinflusst.