入り口重い星の崩壊: ブラックホールがどのように現れるか、そして見えるかどうか。 ブラックホールと中性子星の類似点と相違点
どうしたの ブラックホール? なぜ黒と呼ばれるのですか？ 星々では何が起こっているのでしょうか？ 中性子星とブラックホールにはどのような関係があるのでしょうか? 大型ハドロン衝突型加速器はブラックホールを生成できるのでしょうか?これは私たちにとって何を意味するのでしょうか?
どうしたの 星??? まだご存じない方もいるかもしれませんが、私たちの太陽も星です。 これはオブジェクトです 大きいサイズ熱核融合を利用して電磁波を放射することができます (これは最も正確な定義ではありません)。 それが明確でない場合は、次のように言えます。星は大きな球形の物体であり、その内部では、非常に、非常に、非常に多くのものが核反応の助けを借りて形成されています。 たくさんのエネルギーの一部は可視光を放射するために使用されます。 通常の光のほかに、熱（赤外線）、電波、紫外線などが発せられます。
核反応はどの星でも同じように起こります。 原子力発電所, 主な違いは 2 つだけです。
1. 核融合反応は、原子核が結合した星や原子力発電所で起こります。 – 核崩壊。 最初のケースでは、水素のみが必要で比較的安価であるため、3 倍のエネルギーが放出され、コストは数千分の 1 になります。 また、最初のケースでは有害な廃棄物は発生せず、無害なヘリウムのみが放出されます。 さて、当然のことですが、なぜそのような反応が原子力発電所で使用されないのか疑問に思われますか? なぜなら、それは制御されておらず、簡単に核爆発を引き起こし、この反応には数百万度の温度が必要だからです。 エネルギー源が枯渇しつつあることを考えると、人類にとって核融合は最も重要かつ最も困難な課題である（熱核融合を制御する方法はまだ誰も発見していない）。
2. 星の反応に参加する より多くの物質原子力発電所よりも多くのエネルギーが出力されます。
さて、星の進化について。 あらゆる星は生まれ、成長し、老化し、そして消滅（消滅）します。 進化のスタイルに基づいて、星は質量に応じて 3 つのカテゴリに分類されます。
最初のカテゴリー – 1.4 * 太陽の質量未満の質量を持つ星。 そのような星では、すべての「燃料」がゆっくりと金属に変わります。核の融合（結合）により、ますます多くの「多核」（重い）元素が現れ、これらは金属になるからです。 確かに、そのような星の進化の最終段階は記録されていません（金属球を検出するのは困難です）、これは単なる理論です。
第 2 カテゴリー –
最初のカテゴリーの星の質量を超えるが、太陽質量の 3 倍未満の質量を持つ星。 進化の結果、そのような星は内部の引力と斥力のバランスを失います。 その結果、外側の殻は宇宙に放り出され、内側の殻は（運動量保存の法則により）「猛烈に」収縮し始めます。 中性子星が形成されます。 それはほぼ完全に中性子、つまり電荷を持たない粒子で構成されています。 中性子星の最も注目すべき点 –
これがその密度です。中性子になるためには、星が直径わずか約 300 km の球に圧縮される必要があり、これは非常に小さいからです。 したがって、その密度は非常に高く、1立方メートルあたり約数十兆kgであり、これは地球上で最も密度の高い物質の密度よりも数十億倍大きいです。 この密度はどこから来たのでしょうか？ 実際、地球上のすべての物質は原子で構成されており、その原子は原子核で構成されています。 それぞれの原子は大きな空のボール (完全に空) として想像でき、その中心に小さな原子核があります。 原子核には原子の全質量が含まれています（原子核のほかに、原子には電子のみが含まれていますが、その質量は非常に小さいです）。 原子核の直径は原子の1000分の1です。 これは、原子核の体積が原子の 1000*1000*1000 = 10 億分の 1 であることを意味します。 したがって、原子核の密度は原子の密度の何十億倍も大きくなります。 中性子星では何が起こっているのでしょうか？ 原子は物質として存在しなくなり、原子核に置き換わります。 そのような星の密度が地球上の物質の密度よりも何十億倍も大きいのはそのためです。
重い物体（惑星、星）が周囲のあらゆるものを強く引き付けることは誰もが知っています。 中性子星はそうやって発見されるのです。 彼らは他人の軌道を大きく歪めます 目に見える星、近くにあります。
星の 3 番目のカテゴリー – 太陽の3倍以上の質量を持つ恒星。 このような星は中性子になった後、さらに圧縮されてブラックホールになります。 その密度は中性子星の密度の数万倍です。 このような巨大な密度を持つブラック ホールは、非常に強い重力の能力 (周囲の天体を引き付ける能力) を獲得します。 これほどの重力があると、星は電磁波、ひいては光さえもその限界から出ることを許さない。 つまり、ブラックホールは光を発しません。 光がまったくない – これは暗闇であり、それがブラックホールが黒と呼ばれる理由です。 常に黒色で、どんな望遠鏡でも見ることができません。 ブラックホールはその重力により、周囲のすべての天体を大量に吸い込むことができることは誰もが知っています。 だからこそ、人々は大型ハドロン衝突型加速器の打ち上げに慎重になっており、科学者らによれば、その作業中に黒い微小穴が出現する可能性があるという。 しかし、この微細孔は通常の微細孔とは大きく異なり、寿命が非常に短いため不安定であり、実用的には証明されていません。 さらに、科学者らは、これらのマイクロホールは通常のブラックホールとはまったく異なる性質を持ち、物質を吸収することができないと主張しています。
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この投稿は、天体物理学コース プログラムの 5 番目のレッスンの概要です。 高校。 超新星爆発、中性子星 (パルサー) の形成過程、および単一および恒星の質量のブラック ホールの説明が含まれています。 スターカップル。 そして褐色矮星について少しお話します。
まず、星の種類の分類と質量に応じた進化を示す図を繰り返します。
1. 新星と超新星の爆発。
星の深部でのヘリウムの燃焼は、赤色巨星の形成とその爆発で終わります。 新しい教育を受けて 白色矮星または赤色超巨星の形成とその爆発 超新星教育を受けて 中性子星または ブラックホール、これらの星から放出された殻からの星雲も同様です。 多くの場合、放出された殻の質量は、これらの星の「ミイラ」、つまり中性子星やブラックホールの質量を超えます。 この現象の規模を理解するために、私たちから 5,000 万光年の距離にある超新星 2015F の爆発のビデオを提供します。 銀河NGC 2442の年:
もう1つの例は、私たちの銀河系で1054年に起きた超新星です。その結果、かに星雲と中性子星が私たちから6.5千光年の距離に形成されました。 年。 この場合、結果として生じる中性子星の質量は約 2 太陽質量であり、放出された殻の質量は約 5 太陽質量です。 同時代の人々は、この超新星の明るさは金星の約 4 ～ 5 倍であると推定しました。 このような超新星が 1,000 倍 (6.5 光年) 近づいて爆発した場合、それは月より 4,000 倍明るく、太陽よりは 100 倍暗い空で輝くでしょう。
2. 中性子星.
大きな質量（クラス）の星 O、B、A) 水素が燃え尽きてヘリウムになった後、ヘリウムが燃え尽きて主に炭素になる過程で、酸素と窒素がかなり短い段階に入ります。 赤色超巨星そしてヘリウムと炭素のサイクルが完了すると、殻を脱ぎ捨てて燃え上がります。 「超新星」。 深さも重力の影響で圧縮されます。 しかし、縮退した電子ガスの圧力は、白色矮星の場合のように、この重力による自己圧縮を止めることはできなくなります。 したがって、これらの星の深部の温度が上昇し、熱核反応が起こり始め、その結果、周期表の次の元素が形成されます。 まで 腺.
なぜアイロンより先に？ なぜなら、原子番号の高い原子核の形成にはエネルギーの放出ではなく、エネルギーの吸収が伴うからです。 しかし、他の原子核からそれを取り出すのはそれほど簡単ではありません。 もちろん、原子番号の高い元素はこれらの星の深部で形成されます。 しかし、多くの場合 少ない量鉄よりも。
しかしその後、進化は分裂します。 大きすぎない星（クラス） あそして部分的に で）に変わります 中性子星。 電子が文字通り陽子に刷り込まれ、星の本体の大部分が巨大な中性子核に変わります。 通常の中性子が互いに接触したり、押し込まれたりして構成されています。 物質の密度は立方センチメートルあたり数十億トンのオーダーです。 典型的な 中性子星の直径- 約10〜20キロ。 中性子星 - 「ミイラ」の 2 番目の安定したタイプ 死んだ星。 それらの質量は通常、太陽質量の約 1.3 ～ 2.1 の範囲です (観測データによる)。
単一中性子星は、光度が極めて低いため、光学的に見ることはほとんど不可能です。 しかし、彼らの中には、自分自身が次のように感じている人もいます。 パルサー。 それは何ですか？ ほとんどすべての星はその軸の周りを公転しており、かなり強い磁場を持っています。 たとえば、太陽は約 1 か月かけてその軸の周りを回転します。
次に、その直径が10万分の1に減少すると想像してください。 角運動量保存則のおかげで、より速く回転することは明らかです。 そして、そのような星の表面近くの磁場は、太陽の磁場よりも何桁も強いでしょう。 ほとんどの中性子星の自転周期は 10 分の 1 秒から 100 分の 1 秒です。 観察から、最も速く回転するパルサーはその軸の周りを 1 秒あたり 700 回強回転し、最もゆっくりと回転するパルサーは 23 秒以上で 1 回転することが知られています。
ここで、そのような星の磁軸が地球の磁軸と同様に自転軸と一致しないと想像してください。 このような星からの硬放射線は、磁軸に沿った狭い円錐形に集中します。 そして、この円錐が星の自転周期と同じように地球に「接触」すると、この星は脈動する放射線源として見えることになります。 私たちの手で回転させる懐中電灯のようなものです。
このようなパルサー (中性子星) は、1054 年の超新星爆発の後に形成されました。超新星爆発は、ちょうどハンバート枢機卿のコンスタンティノープル訪問中に発生しました。 その結果、カトリックとの間に最後の決別が生じた。 正教会の教会。 このパルサー自体は1秒間に30回転します。 そして、太陽質量の約5倍の質量で放出された砲弾は次のようになります かに星雲:
3. ブラックホール（星の塊）。
最後に、かなり大きな星 (クラス) についてそして部分的に で）彼らを終わらせる 人生の道 3番目のタイプの「ミイラ」 - ブラックホール。 このような物体は、恒星残骸の質量が非常に大きく、この残骸の深部で接触する中性子の圧力（縮退中性子ガスの圧力）がその重力による自己圧縮に抵抗できない場合に発生します。 観察によると、次のような物質境界が存在します。 中性子星そしてブラックホールは太陽質量約2.1の近くにあります。
単一のブラックホールを直接観察することは不可能です。 なぜなら、いかなる粒子もその表面から逃れることはできないからです（存在する場合）。 光の粒子も光子です。
4. 連星系の中性子星とブラックホール。
単一の中性子星や恒星質量ブラックホールは事実上観測できません。 しかし、それらが近接星系内の2つ以上の星の1つである場合には、そのような観測が可能になります。 なぜなら、重力によって、まだ通常の星のままである隣の星の外殻を「吸い出す」ことができるからです。
中性子星やブラックホールの周りのこの「吸引」により、 降着円盤、中性子星またはブラックホールに向かって部分的に「滑り」、部分的に真っ二つにそこから投げ飛ばされる物質。 ジェット機。 このプロセスは記録することができます。 一例は、SS433 の連星系であり、その構成要素の 1 つは中性子星またはブラック ホールのいずれかです。 そして 2 番目の星はまだ普通の星です。
5.褐色矮星。
太陽質量より著しく小さく、太陽質量が ~0.08 までの星はクラス M 赤色矮星であり、宇宙の年齢よりも長い間、水素とヘリウムのサイクルで動作します。 この制限よりも質量が小さい物体では、さまざまな理由から、定常的な長時間にわたる熱核融合は不可能です。 このような星は褐色矮星と呼ばれます。 表面温度は非常に低いため、光学的にはほとんど見えません。 しかし、それらは赤外線領域で輝きます。 これらの理由が組み合わさって、しばしばこう呼ばれます。 サブスター.
褐色矮星の質量範囲は 0.012 から 0.08 太陽質量です。 0.012 太陽質量 (~12 木星の質量) 未満の質量を持つ天体は、惑星にしかなりえません。 ガス巨人。 ゆっくりとした重力による自己圧縮により、それらは親星から受け取るよりも著しく多くのエネルギーを放射します。 したがって、すべての範囲の合計に基づいて、木星は太陽から受け取るエネルギーの約 2 倍のエネルギーを放出します。
理論的には、どんな宇宙体でもブラックホールになる可能性があります。 たとえば、地球のような惑星は半径数ミリメートルまで縮小する必要がありますが、もちろん実際には不可能です。 T&P は、「Enlightener」賞の新しい号で、物理学者エミール・アフメドフの著書「ブラックホールの誕生と死について」からの抜粋を掲載し、天体がどのようにしてブラックホールに変化するのか、また天体がブラックホールで観察できるかどうかを説明しています。星空。
ブラックホールはどのように形成されるのでしょうか?
* 何らかの力が天体をその質量に相当するシュヴァルツシルト半径まで圧縮すると、時空は非常に大きく曲がり、光さえもそこから出ることができなくなります。 これは、体がブラックホールになることを意味します。
たとえば、太陽の質量を持つ星の場合、シュヴァルツシルトの半径は約 3 キロメートルです。 この値を太陽の実際の大きさ (700,000 キロメートル) と比較してください。 同時に、地球と同じ質量の惑星の場合、シュヴァルツシルト半径は数ミリメートルに相当します。
[…]重力のみが天体をそのシュヴァルツシルト半径 * のような小さなサイズに圧縮することができます。なぜなら、重力相互作用のみが引力のみをもたらし、実際には質量の増加とともに無制限に増加するからです。 素粒子間の電磁相互作用は、重力相互作用よりも何桁も強力です。 ただし、一般に、電荷は反対の符号の電荷によって補償されることがわかります。 重力電荷、つまり質量を遮るものは何もありません。
地球のような惑星は、その質量が、それを構成する原子核、原子、分子の電磁反発に打ち勝つのに十分ではないため、自重で適切なシュヴァルツシルト寸法まで縮むことはありません。 そして、太陽のような星は、はるかに重い天体であるため、深部の高温による強いガス力学的圧力によって収縮しません。
太陽 100 個を超える質量を持つ非常に重い星の場合、主に強い光の圧力によって圧縮は起こらないことに注意してください。 太陽 200 個よりも重い星の場合、ガス力学的圧力も光圧力も、そのような星のブラック ホールへの壊滅的な圧縮 (崩壊) を防ぐのに十分ではありません。 ただし、以下では、より軽い星の進化について説明します。
星の光と熱は熱核反応の産物です。 この反応は、星の内部に十分な水素が存在し、星の質量全体の圧力で物質が高度に圧縮されるために起こります。 熱核反応は、大量のエネルギー放出を伴う水素原子核のヘリウム原子核への融合であるため、強力な圧縮により、同一電荷の水素原子核の電磁反発を克服することが可能になります。
遅かれ早かれ、熱核燃料（水素）の量は大幅に減少し、光の圧力は弱まり、温度は低下します。 太陽のように星の質量が十分に小さい場合、赤色巨星段階を経て白色矮星になります。
質量が大きい場合、星は自重で縮み始めます。 超新星爆発として見ることができる崩壊が起こります。 これは非常に複雑なプロセスであり、多くの段階から構成されており、その詳細のすべてが科学者にとってまだ明らかになっていないものの、多くのことがすでに明らかになっています。 たとえば、次のことが知られています。 更なる運命星の質量は崩壊直前の質量に依存します。 このような圧縮の結果は、中性子星やブラック ホール、あるいはそのような天体と白色矮星のいくつかの組み合わせのいずれかになる可能性があります。
「ブラックホールは最も重い星の崩壊の結果である」
中性子星と白色矮星は、それぞれ中性子や電子ガスの圧力に打ち勝つのに十分な質量を持たないため、ブラックホールに崩壊することはありません。 これらのプレッシャーは当然のものです 量子効果、非常に強力な圧縮後に有効になります。 後者についての議論はブラック ホールの物理学とは直接関係がないため、本書の範囲を超えています。
しかし、たとえば中性子星が連星系に位置する場合、伴星から物質を引き寄せることができます。 この場合、その質量は増加し、ある臨界値を超えると再び崩壊が起こり、今度はブラックホールが形成されます。 臨界質量は、中性子ガスがそれ以上の圧縮を防ぐのに不十分な圧力を生成するという条件から決定されます。
※これは概算です。 制限の正確な値はまだ不明です。 - 約 著者。
したがって、ブラックホールは最も重い星の崩壊の結果です。 現代の理解では、熱核燃料が燃え尽きた後の星の核の質量は少なくとも太陽エネルギーの2.5倍*になるはずです。 すべての熱核燃料が燃え尽きた場合に、これほど大きな質量が圧縮されてブラックホールになるのを防ぐほどの圧力を生み出すことができる物質の状態は、私たちが知る限り存在しません。 ブラック ホールの形成に関する星の質量に関する前述の制限を実験的に確認する事実については、少し後、天文学者がブラック ホールを発見する方法について説明するときに説明します。 […]
米。 7. 崩壊に関する誤解 外部観察者ブラックホールの地平線が形成されるのではなく、ゆっくりとした永遠の落下のように
私たちの議論に関連して、科学におけるさまざまなアイデアや概念の相互関係を思い出すために例を使用することは有益です。 この話は、議論されている問題の潜在的な深さを読者に与えるかもしれません。
ガリレオがコペルニクス系への批判に応えて、現在ニュートンの慣性基準系の法則と呼ばれるものを思いついたことが知られています。 その批判は、地球が太陽の周りを回ることができないというものでした。そうしなければ、私たちは太陽の表面に留まることはできないからです。
これに対してガリレオは、地球は慣性によって太陽の周りを回っていると主張した。 しかし、たとえば船の慣性運動を感じないのと同じように、慣性運動と静止運動を区別することはできません。 同時に、彼は遠くでの作用を信じておらず、フィールドの存在さえ知ることができなかったため、惑星と星の間の重力を信じていませんでした。 そして、当時の私はそのような抽象的な説明を受け入れなかったでしょう。
ガリレオは、慣性運動は理想的な曲線に沿ってのみ発生する、つまり地球は円形または円形でのみ移動でき、その中心は太陽の周りを円形に回転すると信じていました。 つまり、異なる慣性運動が重なる可能性があります。 この最後のタイプの動きは、構成にさらに多くの円を追加することで、より複雑にすることができます。 このような回転を周転円に沿った運動といいます。 プトレマイオス星系と観測された惑星の位置を調和させるために発明されました。
ちなみに、コペルニクス体系は、その作成当時、観察された現象をプトレマイオス体系よりもはるかに悪いものとして記述していました。 コペルニクスも完全な円の運動のみを信じていたため、いくつかの惑星の軌道の中心は太陽の外側にあることが判明しました。 (後者は、コペルニクスの作品の出版が遅れた理由の 1 つでした。結局のところ、彼は美的考察に基づいた自分のシステムを信じており、太陽を超えた軌道中心の奇妙な変位の存在はこれらの考察に適合しませんでした。)
原理的には、プトレマイオスのシステムがあらかじめ定められた精度で観測データを記述することができ、必要なのは必要な数の周転円を追加することだけであったということは有益です。 しかし、その作成者たちの当初の考えにはすべての論理的矛盾があるにもかかわらず、コペルニクス的体系だけが、私たちの自然観、つまり法則に対する概念的な革命をもたらすことができました。 万有引力、惑星の動きとニュートンの頭の上にリンゴが落ちることの両方を説明し、その後、フィールドの概念を説明します。
したがって、ガリレオは楕円に沿った惑星のケプラー運動を否定した。 彼とケプラーは手紙を交換しましたが、その手紙はかなりイライラした口調で書かれていました*。 これは、彼らが同じ惑星系を全面的にサポートしているにもかかわらずです。
したがって、ガリレオは地球が慣性によって太陽の周りを移動していると信じていました。 ニュートン力学の観点から見ると、地球には重力が作用しているため、これは明らかな誤りです。 しかし、観点から見ると、 一般理論相対性理論、ガリレオは正しいに違いありません。この理論のおかげで、少なくとも自身の重力を無視できる場合、重力場内の物体は慣性によって移動します。 この動きは、いわゆる測地線に沿って発生します。 平面空間では単なる直線の世界線ですが、惑星の場合は 太陽系これは、楕円軌道に対応する測地線であり、必ずしも円形である必要はありません。 残念ながら、ガリレオはそれを知ることができませんでした。
しかし、一般相対性理論から、移動する物体自体 (惑星) による空間の曲率を無視でき、空間が重力中心 (太陽) によってのみ曲がっていると仮定できる場合にのみ、測地線に沿った運動が発生することが知られています。 。 当然の疑問が生じます。太陽の周りの地球の慣性運動について、ガリレオは正しかったのでしょうか? そして、これはそれほど重要な質問ではありませんが、人が地球から飛び立たなくなる理由がわかったので、それは重力の幾何学的記述と関係があるかもしれません。
どうすればブラックホールを「見る」ことができるのでしょうか？
[…] 次に、星空でブラックホールがどのように観察されるかについての説明に移りましょう。 ブラックホールが周囲の物質をすべて消費してしまった場合、遠くの星からの光線の歪みを通してのみブラックホールを見ることができます。 つまり、私たちの近くにそのような純粋な形のブラックホールがあった場合、私たちは表紙に示されているものとほぼ同じものを見ることになります。 しかし、そのような現象に遭遇したとしても、それが単なる巨大な非発光体ではなく、ブラックホールであると確信することはできません。 一方を他方と区別するには、ある程度の作業が必要です。
しかし、実際には、ブラックホールは、素粒子、塵、ガス、隕石、惑星、さらには星を含む雲に囲まれています。 したがって、天文学者は図1に示すようなものを観察します。 9. しかし、彼らはどのようにして、それが何らかの星ではなくブラックホールであると結論づけるのでしょうか?
米。 9. 現実はもっと平凡で、私たちはさまざまな天体、ガス、塵雲に囲まれたブラックホールを観察しなければなりません
まず、星空の特定のサイズの領域 (通常は連星系または活動銀河核内) を選択します。 そこから発せられる放射線のスペクトルによって、その中の物質の質量と挙動が決まります。 次に、恒星の内部で起こる熱核反応からだけではなく、重力場に落ちる粒子など、問題の物体から放射線が放射されていることが記録されています。 特に、天体に降り注ぐ物質の相互摩擦の結果である放射線には、熱核反応の結果として生じるものよりもはるかに高エネルギーのガンマ線が含まれています。
「ブラックホールは、素粒子、塵、ガス、隕石、惑星、さらには星を含む雲に囲まれています。」
観察された領域が十分に小さく、パルサーではなく、その中に大きな質量が集中している場合、それはブラックホールであると結論付けられます。 まず、核融合燃料が燃え尽きた後は、非常に小さな領域でこれほど多くの質量の崩壊を防ぐことができる圧力を生み出す物質の状態は存在しないと理論的に予測されています。
第二に、今強調したように、問題の天体はパルサーであってはなりません。 パルサーは中性子星であり、ブラック ホールとは異なり、表面があり、大きな磁石のように動作します。これは、電荷よりも電磁場の微妙な特性の 1 つです。 中性子星は、元の回転星の非常に強い圧縮の結果であり、角運動量が保存されなければならないため、さらに速く回転します。 これにより、そのような星は時間の経過とともに変化する磁場を生成します。 後者は、特徴的な脈動放射の形成に主要な役割を果たします。
すべては次の場所で見つかりました この瞬間パルサーの質量は太陽質量の 2.5 倍未満です。 この制限を超える質量を持つ特徴的な高エネルギーガンマ線の発生源はパルサーではありません。 見てわかるように、この質量限界は、私たちが知っている物質の状態に基づいてなされた理論的予測と一致します。
これらすべては、直接的な観測ではありませんが、天文学者が見ているのはブラックホールであり、他のものではないという事実を支持する、かなり説得力のある議論です。 何が直接観察とみなされるのか、何がそうでないのかは大きな問題ですが。 結局のところ、読者であるあなたには本自体は見えず、本によって散乱される光だけが見えます。 そして、触覚と視覚の組み合わせだけが、その存在の現実性を確信させます。 同様に、科学者は観察したデータの全体に基づいて、特定の物体の存在の現実性について結論を導き出します。
質量が特定の臨界値を下回る星の場合、重力圧縮はいわゆる「白色矮星」の段階で停止します。
白色矮星の密度は 10 7 g/cm 3 以上で、表面温度は約 10 4 K です。 高温原子は完全にイオン化されている必要があり、星の内部では原子核が縮退電子ガスを形成する電子の海に浸かっている必要があります。 このガスの圧力は、星の重力崩壊を防ぎます。
縮退電子ガスの圧力は量子の性質を持っています。 それは電子が従うパウリの原理の結果として起こります。
パウリの原理は、各電子が占有することができる最小空間量に制限を設定します。 外部圧力ではこの体積を減らすことはできません。 白色矮星では、すべての電子が最小体積に達しており、重力圧縮は電子ガスの内圧によってバランスが保たれています。
白色矮星の質量の限界は約 1.5M s です。 この限界質量はチャンドラセカール限界と呼ばれます (M s は太陽の質量で、~ 1.99・10 30 kg に相当します)。
通常は次のように信じられています 最大重量白色矮星 1.4M 秒。 したがって、電子縮退圧力には 1.4M s を超える質量を含めることはできません。 0.5M秒の場合< M < 1.4M s , ядро белого карлика состоит из углерода и кислорода. Если M < 0.5M s , ядро белого карлика состоит из гелия.
チャンドラセカールの質量に近い白色矮星の密度は 6x10 6 g/cm 3、半径は 5x10 3 km です。
白色矮星の光度は、太陽の光度の 10 -2 ～ 10 -4 です。 それらの放射は、それらに蓄えられた熱エネルギーによって提供されます。
中性子星
計算によると、M ~ 25 M s の超新星爆発中に、質量 ~ 1.6 M s の高密度の中性子核 (中性子星) が残ることが示されています。
超新星段階に達していない残留質量 M > 1.4M s の星では、縮退した電子ガスの圧力も重力と釣り合うことができず、星は核密度の状態まで圧縮されます。 この重力崩壊のメカニズムは超新星爆発のときと同じです。
星の内部の圧力と温度は、電子と陽子が互いに「押し付けられている」ように見える値に達し、反応の結果として
p + e - > n + v e
ニュートリノの放出後、電子よりもはるかに小さい相体積を占める中性子が形成されます。
いわゆる中性子星が出現し、その密度は10 14 ～ 10 15 g/cm 3 に達します。 中性子星の特徴的な大きさは 10 ～ 15 km です。
ある意味、中性子星は巨大な原子核です。
さらなる重力圧縮は、中性子の相互作用によって生じる核物質の圧力によって防止されます。 これは、白色矮星の場合と同じ縮退圧力ですが、より高密度の中性子ガスの縮退圧力です。 この圧力は最大 3.2M s の質量を保持できます。
崩壊の瞬間に生成されるニュートリノは、中性子星を急速に冷却します。 理論的推定によれば、その温度は 100 秒以内に 10 11 から 10 9 K に低下します。 また、冷却速度も若干低下します。 しかし、それは天文学的なスケールで非常に高いです。 10 9 K から 10 8 K への温度低下は 100 年で起こり、10 6 K への低下は 100 万年かかります。
中性子星はサイズが小さく、温度が低いため、光学的方法を使用して検出することは非常に困難です。
1967 年、ケンブリッジ大学で、ヒューイッシュとベルは周期的な電磁放射の宇宙源を発見しました。 パルサー。 ほとんどのパルサーのパルス繰り返し周期は 3.3・10 -2 から 4.3 秒の範囲にあります。
現代の概念によれば、パルサーは質量 1 ～ 3M s、直径 10 ～ 20 km の回転する中性子星です。
このような回転速度でも崩壊せずに形状を維持できるのは、中性子星の性質を持つコンパクトな天体だけです。
中性子星の形成中に角運動量と磁場が保存されると、強力な磁場 B ~ 10 12 G を持つ高速回転パルサーが誕生します。
B は磁気誘導ベクトル、つまり磁場の主な力特性です。 CGS システムではガウス (G) (センチメートル-グラム-秒)、テスラ (T) で測定されます。 国際システム単位 (SI)。 1 T = 10 4 G。
中性子星には、その軸が星の回転軸と一致しない磁場があると考えられています。 この場合、星の放射（電波と可視光線）は灯台の光のように地球上を滑空します。 ビームが地球を通過すると、パルスが記録されます。
中性子星自体からの放射は、星の表面からの荷電粒子が磁力線に沿って外側に移動し、電磁波を放出するという事実によって発生します。 Gold によって最初に提案されたこのパルサー電波放射メカニズムは、以下の図に示されています。
放射線ビームが地球上の観測者に当たると、電波望遠鏡は中性子星の自転周期に等しい周期で電波放射の短いパルスを検出します。
パルスの形状は非常に複雑になる可能性があり、中性子星の磁気圏の形状によって決まり、各パルサーの特徴となります。
パルサーの回転周期は厳密に一定であり、これらの周期の測定精度は 14 桁に達します。
現在、連星系の一部であるパルサーが発見されています。 パルサーが 2 番目の成分を周回している場合、ドップラー効果によりパルサー周期の変動が観察されるはずです。
パルサーが観測者に近づくと、ドップラー効果により記録される電波パルスの周期が減少し、パルサーが私たちから離れると、その周期が増加します。 この現象をもとに、二重星の一部であるパルサーが発見されました。
最初に発見されたパルサー PSR 1913 + 16 は連星系の一部であり、公転周期は 7 時間 45 分でした。 パルサー PSR 1913 + 16 の固有軌道周期は 59 ミリ秒です。
パルサーの放射は中性子星の回転速度の低下につながるはずです。 このような効果も見られました。 連星系の一部である中性子星も、強力な X 線放射源となる可能性があります。
中性子星の形成は、必ずしも超新星爆発の結果であるとは限りません。 近接連星系における白色矮星の進化中に中性子星が形成されるもう一つのメカニズム。
伴星から白色矮星への物質の流れは白色矮星の質量を徐々に増加させ、臨界質量（チャンドラセカール限界）に達すると白色矮星は中性子星に変わります。
中性子星の形成後に物質の流れが続く場合、その質量は大幅に増加し、重力崩壊の結果、ブラックホールになる可能性があります。 これはいわゆる「サイレント」崩壊に相当する。
密集した中性子によって平衡状態に保たれる星の質量には限界があります。 核物質の密度を大幅に超える密度での物質の挙動は十分に研究されていないため、この限界を正確に計算することはできません。
縮退中性子によってもはや安定化できない星の質量を推定すると、約 3M s という値が得られます。
したがって、超新星爆発中に残留質量 M > 3M s が保持される場合、それは安定した中性子星の形で存在することはできません。
近距離での核の反発力は、星のさらなる重力圧縮に耐えることができません。 異常な物体、ブラックホールが現れます。
ブラック ホールの主な特性は、ブラック ホールから発せられる信号が境界を越えて外部の観測者に到達できないことです。
質量 M の星がブラック ホールに崩壊すると、半径 r g の球 (シュヴァルツシルト球) に到達します。
r g = 2GM/c 2、
(形式的には、この関係は、第 2 の脱出速度のよく知られた公式で仮定することによって得られます。 v k2 = (2GM/R) 1/2この速度の限界値は光の速度に等しい)。
物体がシュヴァルツシルト球の大きさに達すると、その重力場は非常に強くなり、 電磁放射。 太陽のシュヴァルツシルト半径は 3 km、地球のシュヴァルツシルト半径は 1 cm です。
シュヴァルツシルト ブラック ホールは回転しない天体であり、回転しない巨大な星の残骸です。 回転する巨大な星が崩壊して回転するブラック ホール (カー ブラック ホール) になります。
ブラックホールは、特に目に見える星を持つ連星系の一部である場合、間接的な証拠によってのみ検出できます。 この場合、ブラックホールは星のガスを吸い込みます。 このガスは加熱され、検出可能な強力な X 線の発生源になります。
現在、直接の連絡先はありません 実験による確認ブラックホールの存在。 ブラック ホールの存在によってその動作を説明できる宇宙物体がいくつかあります。
したがって、はくちょう座 XI という天体があり、これは自転周期 5.6 日の連星系です。 この系には、質量 22M 秒の青色巨星と、質量 8M 秒の目に見えない脈動 X 線放射源が含まれており、これはおそらくブラック ホールです (このような大きな質量の天体は中性子星であるはずがありません)。
星の崩壊中に形成されるブラック ホールに加えて、宇宙には、ビッグバンの不均一性により、最初の星が出現するずっと前に発生したブラック ホールが存在する可能性があります。
出現した物質の塊はブラックホールの状態まで圧縮される可能性があり、一方、残りの物質は膨張する。 宇宙の初期に形成されたブラックホールをリリックホールと呼びます。 それらの中には、陽子のサイズよりも大幅に小さいものもあると考えられています。
1974 年、ホーキング博士はブラックホールが粒子を放出するに違いないことを示しました。 これらの粒子の発生源は、真空中での仮想の粒子と反粒子のペアの形成プロセスです。 通常のフィールドでは、これらのペアは非常に早く消滅するため、観察することはできません。 ただし、非常に強い磁場では、仮想粒子と反粒子が分離し、現実のものになる可能性があります。
ブラックホールの縁には強力な潮汐力が存在します。 これらの力の影響下で、仮想ペアの一部であった粒子 (反粒子) の一部がブラック ホールから飛び出す可能性があります。 ブラックホールの多くは消滅するため、ブラックホールは放射線源になるに違いありません。
ブラックホールによって宇宙に放出されるエネルギーは、その深部から来ます。 したがって、このような粒子の放出の過程で、ブラックホールの質量とサイズは減少するはずです。 これがブラックホールの「蒸発」の仕組みです。
ブラックホールの温度はその質量に反比例するため、質量が大きいほど蒸発が遅くなります。これは、ブラックホールの寿命が（4次元時空の）質量の3乗に比例するためです。 たとえば、太陽程度の質量 M を持つブラック ホールの寿命は宇宙の年齢を超えますが、M = 1 テラ電子ボルト (10 12 eV、約 2x10 -30 kg) のマイクロホールは約 10 -27 年生きます。秒 (科学と生活、ブラックホール)。
大きなブラックホールの場合、「蒸発」速度は非常に遅く、実質的に無視できます。 太陽質量 10 倍の質量を持つブラック ホールは 10 69 年で蒸発します。 中心にある可能性のある超大質量（太陽質量数十億個）のブラックホールの蒸発時間 大きな銀河、10 96 年にすることができます。
星が白色矮星、中性子星、またはブラックホールに変化するプロセスには、通常、巨大なエネルギーの放出が伴います。 この種のエネルギー放出やその他の宇宙爆発の詳細については、次のビデオで説明されています。
ビデオ: 宇宙で最も激しく最大規模の爆発。 銀河、星、惑星の爆発。
白色矮星、中性子星、ブラックホールは、 さまざまな形恒星の進化の最終段階。 若い星は、星の内部で起こる熱核反応からエネルギーを得ます。 これらの反応中に、水素はヘリウムに変換されます。 一定の割合の水素が消費されると、結果として生じるヘリウムコアが収縮し始めます。 星のさらなる進化は、その質量、より正確にはチャンドラセカール限界と呼ばれる特定の臨界値との関係に依存します。 星の質量がこの値より小さい場合、ヘリウムが炭素に変換される熱核反応が始まり、その温度がそれほど高い値に達する前に、縮退電子ガスの圧力によってヘリウム核の圧縮（崩壊）が停止します。 。 一方、進化する星の外層は比較的早く剥がれ落ちます。 （惑星状星雲はこのようにして形成されると考えられています。）白色矮星は、多かれ少なかれ伸びた水素の殻で囲まれたヘリウムの核です。
より重い星では、ヘリウムが「燃え尽きる」までヘリウムの核が収縮し続けます。 ヘリウムが炭素に変化するときに放出されるエネルギーは、核のさらなる崩壊を防ぎますが、それは長くは続きません。 ヘリウムが完全に消費された後も、炉心の圧縮は続きます。 温度が再び上昇すると、他の核反応が始まり、原子核に蓄えられているエネルギーがなくなるまで反応が進みます。 この時点で、星の核はすでに純鉄で構成されており、これが核の「灰」の役割を果たしています。 今や、星のさらなる崩壊を妨げるものは何もありません。それは、その物質の密度が原子核の密度に達するまで続きます。 星の中心領域で物質が急激に圧縮されると、巨大な力の爆発が発生し、その結果、星の外層が猛スピードで飛び散ります。 天文学者が超新星現象と結び付けるのは、これらの爆発です。
崩壊する恒星の残骸の運命は、その質量に依存します。 質量が約 2.5M 0 (太陽の質量) 未満の場合、中性子と陽子の「ゼロ」運動による圧力は、星のさらなる重力圧縮を防ぐのに十分な大きさになります。 物質の密度が原子核の密度と等しい（またはそれを超える）天体は中性子星と呼ばれます。 それらの特性は、1930 年代に R. Oppenheimer と G. Volkov によって初めて研究されました。
ニュートンの理論によれば、崩壊する星の半径は有限時間内にゼロに減少しますが、重力ポテンシャルは無限に増加します。 アインシュタインの理論は別のシナリオを描いています。 光子の速度はブラックホールの中心に近づくにつれて減少し、 ゼロに等しい。 これは、外部の観察者の観点からは、ブラック ホールに落ちた光子は決してその中心に到達しないことを意味します。 物質の粒子は光子より速く移動できないため、ブラックホールの半径は以下に達します。 限界値無限の時間のために。 さらに、ブラック ホールの表面から放出された光子は、崩壊中に赤方偏移が増加します。 外部観察者の観点から見ると、ブラック ホールが形成される物体は、最初は加速度的に収縮します。 その後、その半径はますますゆっくりと減少し始めます。
内部エネルギー源がないと、中性子星やブラックホールはすぐに冷えてしまいます。 そして、それらの表面積は非常に小さい（わずか数十平方キロメートル）ため、これらの天体の明るさは非常に低いと予想する必要があります。 実際、中性子星やブラックホールの表面からの熱放射はまだ観測されていません。 ただし、一部の中性子星は、 強力な情報源非熱放射。 それは 1967年にケンブリッジ大学の大学院生であるジョセリン・ベルによって発見された、いわゆるパルサーについて。 ベルは、振動する無線源の放射を研究するためにアンソニー・ヒューイッシュによって開発された装置を使用して記録された無線信号を研究しました。 混沌的に明滅するソースの多くの録音の中で、彼女は、強度は異なるものの、バーストが明確な周期性で繰り返される録音に気づきました。 より詳細な観察により、パルスの正確な周期性が確認され、他の記録を調査したところ、同じ特性を持つさらに 2 つの発生源が発見されました。 観測と理論分析によれば、パルサーは異常に強い磁場を持つ中性子星を急速に回転させている。 放射線の脈動的な性質は、回転する中性子星の表面（またはその近く）の「ホットスポット」から現れる光線によって引き起こされます。 この放射線の詳細なメカニズムは科学者にとって依然として謎のままです。
いくつかの中性子星が近接連星系の一部として発見されています。 X 線放射の強力な源となるのは、これら (そして他のものではない) 中性子星です。 近接連星を想像してみましょう。その構成要素の 1 つは巨人または超巨星であり、もう 1 つはコンパクト星です。 コンパクトな星の重力場の影響下で、ガスが巨人の希薄化した大気から流出する可能性がある。近接連星系におけるそのようなガスの流れは、スペクトル分析法によって長い間発見されてきたが、適切な理論的解釈を受けてきた。 連星系のコンパクトな星が中性子星またはブラックホールである場合、系の別の構成要素から逃げるガス分子は非常に高いエネルギーに加速される可能性があります。 分子間の衝突により 運動エネルギーコンパクトな星に降り注ぐガスは、最終的に熱と放射線に変わります。 推定値が示すように、この場合に放出されるエネルギーは、このタイプの連星系から観測される X 線放射の強度を完全に説明します。
アインシュタインの一般相対性理論では、ブラック ホールは超相対性理論の粒子と同じ場所を占めています。 特殊理論相対性。 しかし、超相対論的粒子の世界、つまり高エネルギー物理学が、驚くべき現象で満ちているとしたら、 重要な役割実験物理学や観測天文学では、ブラックホールに関連する現象は依然として驚きだけを引き起こします。 ブラックホール物理学は、最終的には宇宙論にとって重要な結果をもたらすでしょうが、今のところ、この科学分野は主に理論家たちの遊びの場です。 このことから、アインシュタインの重力理論は、理論的にはニュートンの理論よりもはるかに優れているにもかかわらず、宇宙についての情報が少ないということになるのではないでしょうか? 全くない！ ニュートンの理論とは異なり、アインシュタインの理論は、実際の宇宙全体の自己矛盾のないモデルの基礎を形成しており、この理論には多くの驚くべき検証可能な予測があり、最後に、自由落下する非回転基準との間の因果関係を提供します。フレームとその分布、そして宇宙空間における質量の動き。