Черные дыры звездной массы

Когда ядро очень массивной звезды становится слишком тяжелым для поддержания каким-либо давлением, оно неограниченно коллапсирует в черную дыру — область, гравитация которой настолько сильна, что даже свет не может ее покинуть.

Definition

Черная дыра звездной массы — это компактный остаток, образовавшийся в результате коллапса ядра массивной звезды, гравитация которого настолько сильна, что область, ограниченная горизонтом событий, не позволяет ничему, включая свет, покинуть ее.

Scope

Тема охватывает образование черных дыр звездной массы в результате коллапса массивных звездных ядер, их описание решениями Шварцшильда и Керра общей теории относительности, горизонт событий и внутреннюю стабильную орбиту, их обнаружение с помощью рентгеновских двойных систем и гравитационных волн, а также диапазон масс, отличающий их от нейтронных звезд.

Core questions

• Как образуется черная дыра звездной массы?
• Что такое горизонт событий?
• Как мы можем обнаружить что-то, что не излучает света?
• Какие массы имеют черные дыры звездной массы?

Key concepts

• горизонт событий
• радиус Шварцшильда
• черная дыра Керра
• аккреционный диск
• рентгеновская двойная система
• гравитационные волны
• массовый провал

Key theories

Безостановочный коллапс в черную дыру

Если коллапсирующее звездное ядро превышает максимальную массу, которую могут поддерживать вырождение и ядерные силы, никакое известное давление не может остановить его; общая теория относительности предсказывает продолжающийся коллапс внутри горизонта событий, как впервые было показано для идеализированного коллапса Оппенгеймером и Снайдером.

Обнаружение по аккреции и гравитационным волнам

Черные дыры звездной массы обнаруживаются, когда они аккрецируют вещество от компаньона и светятся в рентгеновском диапазоне, а также по гравитационным волнам, излучаемым при сближении и слиянии двух черных дыр, впервые обнаруженным в 2015 году, которые непосредственно измеряют их массы и спины.

Mechanisms

Коллапсирующее ядро достаточно массивной звезды преодолевает всю поддержку давления и падает внутрь своего радиуса Шварцшильда, образуя горизонт событий. Такая черная дыра становится наблюдаемой, когда газ от звезды-компаньона по спирали падает через горячий аккреционный диск и излучает рентгеновские лучи, или когда две черные дыры сливаются и излучают энергию в виде гравитационных волн.

Clinical relevance

Черные дыры звездной массы проверяют общую теорию относительности в режиме сильного поля, являются основой для изучения физики аккреции и релятивистских струй в рентгеновских двойных системах, а также являются доминирующими источниками, обнаруживаемыми наземными обсерваториями гравитационных волн, открывая новый способ подсчета компактных остатков и исследования эволюции массивных звезд.

History

Шварцшильд решил уравнения Эйнштейна для точечной массы в 1916 году, Оппенгеймер и Снайдер смоделировали гравитационный коллапс в 1939 году, Керр нашел вращающееся решение в 1963 году, а первые черные дыры звездной массы были идентифицированы в рентгеновских двойных системах, таких как Лебедь X-1, и позднее массово подтверждены детекторами гравитационных волн.

Debates

Массовый провал между нейтронными звездами и черными дырами

Обсуждается, существует ли провал в распределении масс между самыми тяжелыми нейтронными звездами и самыми легкими черными дырами, и где находится граница; события гравитационных волн с массами в этом диапазоне проверяют, существует ли такой провал.

Key figures

• J. Robert Oppenheimer
• Karl Schwarzschild
• Roy Kerr
• Roger Penrose

Seminal works

• abbott2016
• shapiro1983

Frequently asked questions

Как мы можем наблюдать черную дыру, если свет не может ее покинуть?

Мы обнаруживаем черные дыры косвенно: газ, падающий к ней, нагревается и излучает рентгеновские лучи до пересечения горизонта, орбиты звезд-компаньонов выявляют невидимый массивный объект, а сливающиеся черные дыры излучают гравитационные волны, которые могут быть измерены детекторами на Земле.

Насколько массивны черные дыры звездной массы?

Их масса обычно составляет от нескольких до нескольких десятков масс Солнца, они образуются в результате коллапса массивных звезд; это отличает их от сверхмассивных черных дыр с массами от миллионов до миллиардов солнечных масс, находящихся в центрах галактик.