การยุบตัวจากแรงโน้มถ่วง
การยุบตัวจากแรงโน้มถ่วง คือการหดตัวอย่างรวดเร็วของวัตถุขนาดใหญ่ภายใต้แรงโน้มถ่วงของตัวเอง เมื่อแรงดันภายในไม่สามารถพยุงวัตถุไว้ได้อีกต่อไป ซึ่งเป็นกระบวนการที่ก่อให้เกิดดาวแคระขาว ดาวยุบ และหลุมดำ
Definition
การยุบตัวจากแรงโน้มถ่วง คือการหดตัวแบบพลวัตของวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงในตัวเองเมื่อแรงดันพยุงล้มเหลว ซึ่งนำไปสู่ซากวัตถุขนาดกะทัดรัดที่เสถียร เช่น ดาวแคระขาวหรือดาวยุบ หรือหากเกินมวลวิกฤต ก็จะนำไปสู่การก่อตัวของขอบฟ้าเหตุการณ์และภาวะเอกฐานของหลุมดำ
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงสมดุลและเสถียรภาพของวัตถุขนาดกะทัดรัด ขีดจำกัดมวลจันทรเศกขาร์และทอลแมน-ออพเพนไฮเมอร์-โวลคอฟฟ์ที่เกินกว่านั้นจะไม่มีการจัดเรียงตัวแบบสถิตอยู่ได้ แบบจำลองออพเพนไฮเมอร์-สไนเดอร์ในอุดมคติของการยุบตัวแบบไร้แรงดัน การปรากฏของพื้นผิวที่ถูกกักและขอบฟ้าเหตุการณ์ที่ก่อตัวขึ้น ความแตกต่างระหว่างการยุบตัวที่สังเกตโดยผู้สังเกตการณ์ที่ตกลงไปและผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกล และสภาพแวดล้อมทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของซูเปอร์โนวาและการก่อตัวของหลุมดำมวลดาวฤกษ์
Core questions
- อะไรเป็นตัวกำหนดว่าดาวที่กำลังยุบตัวจะกลายเป็นดาวยุบหรือหลุมดำ?
- การยุบตัวปรากฏแตกต่างกันอย่างไรสำหรับผู้สังเกตการณ์ที่ตกลงไปและผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกล?
- ขีดจำกัดมวลใดที่จำกัดการมีอยู่ของวัตถุขนาดกะทัดรัดที่เสถียร?
Key concepts
- ขีดจำกัดจันทรเศกขาร์
- ขีดจำกัดทอลแมน-ออพเพนไฮเมอร์-โวลคอฟฟ์
- แรงดันดีเจนเนอเรซี
- การก่อตัวของพื้นผิวที่ถูกกัก
- การหยุดนิ่งที่ขอบฟ้าเหตุการณ์
- การยุบตัวของแกนกลางซูเปอร์โนวา
Key theories
- การยุบตัวแบบออพเพนไฮเมอร์-สไนเดอร์
- การยุบตัวในอุดมคติของทรงกลมไร้แรงดันที่เป็นเนื้อเดียวกันแสดงให้เห็นว่าพื้นผิวจะข้ามรัศมีชวาร์ซชิลด์ในเวลาที่เหมาะสมที่จำกัด ทำให้เกิดขอบฟ้าเหตุการณ์ ในขณะที่ผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกลจะเห็นการยุบตัวปรากฏว่าช้าลงและมีการเลื่อนไปทางแดงที่ขอบฟ้าเหตุการณ์
- ขีดจำกัดมวลสำหรับวัตถุขนาดกะทัดรัด
- แรงดันดีเจนเนอเรซีสามารถพยุงดาวแคระขาวได้ไม่เกินขีดจำกัดจันทรเศกขาร์ และดาวยุบได้ไม่เกินขีดจำกัดทอลแมน-ออพเพนไฮเมอร์-โวลคอฟฟ์; เกินกว่าขีดจำกัดเหล่านี้ จะไม่มีสมดุลสถิตอยู่ได้ และการยุบตัวไปสู่หลุมดำเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้
Clinical relevance
การยุบตัวจากแรงโน้มถ่วงเป็นกลไกสำคัญที่อยู่เบื้องหลังซูเปอร์โนวาแบบยุบตัวของแกนกลาง การก่อตัวของดาวยุบและหลุมดำมวลดาวฤกษ์ และการรวมตัวของวัตถุขนาดกะทัดรัดที่ตรวจพบได้ในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง; ขีดจำกัดมวลที่กำหนดโดยกระบวนการนี้ถูกนำมาใช้ในการตีความมวลที่อนุมานได้สำหรับดาวยุบและหลุมดำที่สังเกตได้
History
จันทรเศกขาร์ค้นพบขีดจำกัดมวลของดาวแคระขาวในปี 1931; ในปี 1939 ออพเพนไฮเมอร์และโวลคอฟฟ์ได้คำนวณขีดจำกัดของดาวยุบ และออพเพนไฮเมอร์และสไนเดอร์ได้ตีพิมพ์แบบจำลองสัมพัทธภาพแรกของการยุบตัวอย่างต่อเนื่องไปสู่หลุมดำ ซึ่งผลลัพธ์เหล่านี้ส่วนใหญ่ถูกละเลยไปจนกระทั่งการฟื้นฟูสัมพัทธภาพทั่วไปในทศวรรษ 1960 ได้นำกลับมาศึกษาใหม่
Key figures
- J. Robert Oppenheimer
- Hartland Snyder
- Subrahmanyan Chandrasekhar
- Richard Tolman
Related topics
Seminal works
- oppenheimer1939
- shapiroteukolsky1983
Frequently asked questions
- ทำไมผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกลจึงไม่เคยเห็นดาวข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์?
- แสงจากพื้นผิวที่กำลังยุบตัวจะมีการเลื่อนไปทางแดงมากขึ้นเรื่อยๆ และล่าช้าลงเมื่อมันเคลื่อนที่ออกจากบริเวณใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ ดังนั้นผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกลจะเห็นพื้นผิวช้าลงและจางหายไป ปรากฏว่าหยุดนิ่ง แม้ว่าพื้นผิวเองจะข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ในเวลาที่เหมาะสมที่จำกัดก็ตาม
- ดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ทุกดวงจะจบลงด้วยการเป็นหลุมดำหรือไม่?
- ไม่ ผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับมวลที่เหลืออยู่: แกนกลางที่เบากว่าจะก่อตัวเป็นดาวแคระขาว แกนกลางขนาดกลางจะก่อตัวเป็นดาวยุบ และเฉพาะแกนกลางที่เกินขีดจำกัดมวลของดาวยุบเท่านั้นที่จะยุบตัวเป็นหลุมดำ โดยการสูญเสียมวลในระหว่างช่วงชีวิตของดาวฤกษ์มีอิทธิพลอย่างมากต่อผลลัพธ์