หลุมดำมวลยิ่งดาวฤกษ์

เมื่อแกนกลางของดาวฤกษ์มวลมหาศาลมีน้ำหนักมากเกินกว่าที่แรงดันใดๆ จะพยุงไว้ได้ แกนกลางนั้นจะยุบตัวลงอย่างไม่มีขีดจำกัดกลายเป็นหลุมดำ ซึ่งเป็นบริเวณที่แรงโน้มถ่วงรุนแรงมากจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถเล็ดลอดออกมาได้

Definition

หลุมดำมวลยิ่งดาวฤกษ์คือซากดาวที่ยุบตัวลงซึ่งก่อตัวขึ้นจากการยุบตัวของแกนกลางดาวฤกษ์มวลมหาศาล แรงโน้มถ่วงของมันรุนแรงมากจนบริเวณที่ล้อมรอบด้วยขอบฟ้าเหตุการณ์ไม่ยอมให้สิ่งใด รวมถึงแสง เล็ดลอดออกมาได้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการก่อตัวของหลุมดำมวลยิ่งดาวฤกษ์จากการยุบตัวของแกนกลางดาวฤกษ์มวลมหาศาล คำอธิบายโดยผลเฉลยของชวาร์ซชิลด์และเคอร์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ขอบฟ้าเหตุการณ์และวงโคจรเสถียรชั้นในสุด การตรวจจับผ่านระบบดาวคู่รังสีเอกซ์และคลื่นความโน้มถ่วง และช่วงมวลที่จำแนกหลุมดำเหล่านี้ออกจากดาวนิวตรอน

Core questions

• หลุมดำมวลยิ่งดาวฤกษ์ก่อตัวขึ้นได้อย่างไร?
• ขอบฟ้าเหตุการณ์คืออะไร?
• เราจะตรวจจับสิ่งที่ไม่มีแสงเปล่งออกมาได้อย่างไร?
• หลุมดำมวลยิ่งดาวฤกษ์มีมวลเท่าใด?

Key concepts

• ขอบฟ้าเหตุการณ์
• รัศมีชวาร์ซชิลด์
• หลุมดำเคอร์
• จานพอกพูนมวล
• ระบบดาวคู่รังสีเอกซ์
• คลื่นความโน้มถ่วง
• ช่องว่างมวล

Key theories

การยุบตัวอย่างต่อเนื่องสู่หลุมดำ

หากแกนกลางดาวฤกษ์ที่กำลังยุบตัวมีมวลเกินกว่ามวลสูงสุดที่แรงเสื่อมและแรงนิวเคลียร์สามารถพยุงไว้ได้ จะไม่มีแรงดันใดที่รู้จักสามารถหยุดยั้งมันได้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายการยุบตัวอย่างต่อเนื่องภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ ดังที่ออปเพนไฮเมอร์และสไนเดอร์ได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกสำหรับการยุบตัวในอุดมคติ

การตรวจจับโดยการพอกพูนมวลและคลื่นความโน้มถ่วง

หลุมดำมวลยิ่งดาวฤกษ์จะถูกเปิดเผยเมื่อพวกมันพอกพูนมวลจากดาวคู่และส่องแสงในรังสีเอกซ์ และโดยคลื่นความโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาเมื่อหลุมดำสองหลุมโคจรเข้าหากันเป็นเกลียวและรวมตัวกัน ซึ่งตรวจพบครั้งแรกในปี 2015 ซึ่งเป็นการวัดมวลและการหมุนของพวกมันโดยตรง

Mechanisms

แกนกลางที่ยุบตัวของดาวฤกษ์ที่มีมวลมากพอจะเอาชนะแรงดันทั้งหมดและตกลงไปภายในรัศมีชวาร์ซชิลด์ของมัน ก่อให้เกิดขอบฟ้าเหตุการณ์ หลุมดำดังกล่าวจะสามารถสังเกตได้เมื่อก๊าซจากดาวคู่โคจรเป็นเกลียวเข้าสู่จานพอกพูนมวลร้อนและแผ่รังสีเอกซ์ หรือเมื่อหลุมดำสองหลุมรวมตัวกันและแผ่พลังงานออกมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง

Clinical relevance

หลุมดำมวลยิ่งดาวฤกษ์ใช้ทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในสภาวะสนามแรง เป็นจุดยึดสำหรับการศึกษาฟิสิกส์การพอกพูนมวลและเจ็ตสัมพัทธภาพในระบบดาวคู่รังสีเอกซ์ และเป็นแหล่งกำเนิดหลักที่ตรวจจับได้โดยหอดูดาวคลื่นความโน้มถ่วงบนพื้นโลก ซึ่งเป็นการเปิดทางใหม่ในการนับจำนวนซากดาวที่ยุบตัวลงและสำรวจวิวัฒนาการของดาวฤกษ์มวลมหาศาล

History

ชวาร์ซชิลด์ได้หาผลเฉลยสมการของไอน์สไตน์สำหรับมวลจุดในปี 1916 ออปเพนไฮเมอร์และสไนเดอร์ได้สร้างแบบจำลองการยุบตัวเชิงความโน้มถ่วงในปี 1939 เคอร์ได้ค้นพบผลเฉลยแบบหมุนในปี 1963 และหลุมดำมวลยิ่งดาวฤกษ์กลุ่มแรกถูกระบุในระบบดาวคู่รังสีเอกซ์ เช่น ซิกนัส เอ็กซ์-1 และได้รับการยืนยันจำนวนมากในภายหลังจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง

Debates

ช่องว่างมวลระหว่างดาวนิวตรอนและหลุมดำ

มีการถกเถียงกันว่ามีช่องว่างในการกระจายมวลระหว่างดาวนิวตรอนที่หนักที่สุดกับหลุมดำที่เบาที่สุดหรือไม่ และขอบเขตอยู่ที่ใด เหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงที่มีมวลในช่วงนี้กำลังทดสอบว่ามีช่องว่างดังกล่าวอยู่จริงหรือไม่

Key figures

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

Seminal works

• abbott2016
• shapiro1983

Frequently asked questions

เราจะสังเกตหลุมดำได้อย่างไรหากแสงไม่สามารถเล็ดลอดออกมาได้?

เราตรวจจับหลุมดำทางอ้อม: ก๊าซที่ตกลงสู่หลุมดำจะร้อนขึ้นและปล่อยรังสีเอกซ์ก่อนที่จะข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ วงโคจรของดาวคู่เผยให้เห็นวัตถุมวลมหาศาลที่มองไม่เห็น และหลุมดำที่รวมตัวกันจะแผ่คลื่นความโน้มถ่วงที่เครื่องตรวจจับบนโลกสามารถวัดได้

หลุมดำมวลยิ่งดาวฤกษ์มีมวลเท่าใด?

โดยทั่วไปแล้วพวกมันมีมวลตั้งแต่ไม่กี่เท่าไปจนถึงหลายสิบเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ก่อตัวขึ้นจากการยุบตัวของดาวฤกษ์มวลมหาศาล ซึ่งแตกต่างจากหลุมดำมวลยวดยิ่งที่มีมวลหลายล้านถึงพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ที่พบในใจกลางกาแล็กซี