пятница, 25 марта 2022 г.

Предел Оппенгеймера-Волкова

Обещал, так рассказываю. Недавно я писал про предел Чандрасекара (примерно 1.4 массы Солнца) — это максимально возможная масса чего-то (обычно это «что-то» - это ядра звёзд, сбросивших внешние слои на последнем этапе жизни), при которой это что-то может существовать в виде белого карлика. Очевидно, что в космосе полно звёзд, масса которых даже после того, как они расстанутся с большей частью своей массы после взрыва сверхновой, превышает этот самый предел Чандрасекара.

Масса у них настолько велика, что никакой там вырожденный электронный газ уже не может сопротивляться сжатию под действием собственной силы тяжести. Чудовищное давление вжимает электроны в протоны, и получаются нейтроны. Это я не из головы придумал для красочности повествования, а вполне существующая теория. А процесс слияния электрона с протоном с получением нейтрона называется «электронный захват».

Остатки звезды сжимаются всё сильнее и сильнее, гравитация делается всё более и более «концентрированной», но в конце концов обнаруживается, что нейтроны тоже, в общем-то, обладают тем же свойством, что и электроны — не могут находиться на одном месте с одинаковой энергией и одинаковым чем-то там ещё, неважно. И, когда плотность вещества становится в тысячи раз плотнее, чем у белого карлика…

Тут я вынужден сделать небольшое отступление. Когда я написал в прошлый раз про белые карлики, я написал, что у них там плотность «тысячи тонн на грамм». Конечно, я имел в виду тысячи тонн на кубический сантиметр. Но никто не обратил внимания на странное значение плотности.

Так вот, когда плотность достигает, не знаю, сотен тысяч тонн на кубический сантиметр, или даже больше, вся эта огромная хрень представляет из себя, по сути, одно огромное атомное ядро, состоящее из нейтронов, и держащееся вместе за счёт чудовищной силы тяжести. А, поскольку нейтроны тоже, как электроны, не могут быть все сразу в одном месте с одной энергией, они все образуют так называемый вырожденный нейтронный газ. В квантовом мире разные вещи могут находиться в одном месте сразу, но в случае нейтронов это возможно, только если все нейтроны будут обладать разной энергией. Так вот, представьте себе, все нейтроны прижаты друг к другу (некоторые учёные предполагают, что нейтроны там деформируются так, что приобретают форму куба), и все нижние энергетические уровни заняты. Чтоб запихать внутрь ещё один нейтрон, взятый с внешнего слоя, надо ему придать очень большую энергию. И снаружи это выглядит как серьёзное такое сопротивление сжатию.

Так вот, если сложить в одно место кучу вещества, состоящего из всякого магния и железа, чтоб нельзя было запустить термоядерную реакцию, а масса этого вещества будет равна двум массам Солнца, то оно сколлапсирует в нейтронную звезду. Максимум массы, который может выдержать вырожденный нейтронный газ — это примерно 2.16 массы Солнца. Это и есть предел Оппенгеймера-Волкова. Если нейтронная звезда будет вращаться, то может немного побольше, потому что из-за вращения центробежная сила уменьшает давление внешних слоёв.

А что будет, если мы туда ещё вещества подбросим? Тут уже никакой вырожденный нейтронный газ не выдержит. Звезда будет неудержимо падать сама в себя, сжимаясь дальше и дальше, пока, наконец, градиент гравитации не станет настолько большой, что у этой коллапсирующей звезды появится «горизонт событий» — некий предел, который не может преодолеть свет. Этот горизонт событий будет окружать некоторую область пространства, в которой что-то будет происходить, но мы никогда не узнаем, что. Это гравитационная могила звезды. А та область пространства, окружённая горизонтом событий, называется чёрной дырой. Внутри там может быть довольно много пустого места, не обязательно вся масса, попавшая в чёрную дыру, должна быть размазана по её объёму равномерно.

Причина появления горизонта событий — большой гравитационный градиент. Представьте себе, гипотетическая тётя Циля массой 105 килограммов упала на батут, и, после некоторых качаний замерла на месте. Она прогибает батут под собой, и нужно сильно щёлкнуть по пластмассовому шарику, чтоб он выкатился из образованной тётей Цилей ямы и укатился. А если я встану на батут на одной ноге, то я, хотя вешу меньше тёти Цили, буду своей ногой батут прогибать сильнее, хотя и в меньшей области. И, чтоб шарик укатился из ямы, которую сделал я, надо будет щёлкнуть его сильнее. Если я возьму в каждую руку по 10-килограммовой гантеле, то я продавлю батут ещё сильнее, и нельзя будет щёлкнуть по шарику с такой силой, чтоб он от меня укатился. Скорость света ведь ограничена, и максимальная сила щелчка тоже ограничена. Вот это прогибание батута и есть гравитационный градиент. Когда много массы собирается в одном месте, получается чёрная дыра. А если много массы распределено в пространстве жиденько, то никакой чёрной дыры не получается — поэтому могут быть вполне себе нормальные звёзды, превышающие по массе вполне себе нормальные чёрные дыры. Но понятно, чем для них всё закончится.

Комментариев нет:

Отправить комментарий

Ублюдочный Гугл поломал форму комментариев. Извините.

Примечание. Отправлять комментарии могут только участники этого блога.