Secara teoritis, benda kosmik mana pun bisa berubah menjadi lubang hitam. Misalnya, planet seperti Bumi perlu menyusut hingga radius beberapa milimeter, yang tentu saja tidak mungkin terjadi dalam praktiknya. Dalam edisi baru penghargaan “Enlightener”, T&P menerbitkan kutipan dari buku fisikawan Emil Akhmedov “On the Birth and Death of Black Holes,” yang menjelaskan bagaimana benda langit berubah menjadi lubang hitam dan apakah benda tersebut dapat dilihat di alam semesta. langit berbintang.
Bagaimana lubang hitam terbentuk?
*Jika suatu gaya menekan suatu benda langit hingga radius Schwarzschild yang sesuai dengan massanya, maka benda tersebut akan membengkokkan ruang-waktu sedemikian rupa sehingga bahkan cahaya pun tidak dapat meninggalkannya. Artinya tubuhnya akan menjadi lubang hitam.
Misalnya, untuk bintang bermassa Matahari, radius Schwarzschild kira-kira tiga kilometer. Bandingkan nilai ini dengan ukuran Matahari sebenarnya - 700.000 kilometer. Sementara itu, untuk planet bermassa Bumi, radius Schwarzschild sama dengan beberapa milimeter.
[…]Hanya gaya gravitasi yang mampu menekan benda langit hingga berukuran sekecil jari-jari Schwarzschild*, karena hanya interaksi gravitasi yang secara eksklusif menghasilkan gaya tarik-menarik, dan sebenarnya meningkat tanpa batas seiring bertambahnya massa. Interaksi elektromagnetik antara partikel-partikel elementer jauh lebih kuat daripada interaksi gravitasi. Namun, muatan listrik apa pun, biasanya, dikompensasi oleh muatan yang bertanda berlawanan. Tidak ada yang bisa melindungi muatan gravitasi - massa.
Planet seperti Bumi tidak menyusut karena beratnya sendiri hingga mencapai dimensi Schwarzschild yang sesuai karena massanya tidak cukup untuk mengatasi gaya tolak menolak elektromagnetik dari inti, atom, dan molekul penyusunnya. Dan bintang seperti Matahari, sebagai objek yang jauh lebih masif, tidak berkontraksi karena tekanan dinamis gas yang kuat akibat suhu tinggi di kedalamannya.
Perhatikan bahwa untuk bintang yang sangat masif, dengan massa lebih besar dari seratus Matahari, kompresi tidak terjadi terutama karena tekanan cahaya yang kuat. Untuk bintang yang lebih masif dari dua ratus Matahari, baik tekanan gas-dinamis maupun tekanan cahaya tidak cukup untuk mencegah bencana kompresi (runtuhnya) bintang tersebut ke dalam lubang hitam. Namun di bawah ini kita akan membahas evolusi bintang yang lebih ringan.
Cahaya dan panas bintang merupakan hasil reaksi termonuklir. Reaksi ini terjadi karena terdapat cukup hidrogen di bagian dalam bintang dan materi tersebut sangat terkompresi di bawah tekanan seluruh massa bintang. Kompresi yang kuat memungkinkan untuk mengatasi tolakan elektromagnetik dari muatan inti hidrogen yang identik, karena reaksi termonuklir adalah peleburan inti hidrogen menjadi inti helium, disertai dengan pelepasan energi yang besar.
Cepat atau lambat, jumlah bahan bakar termonuklir (hidrogen) akan berkurang drastis, tekanan ringan akan melemah, dan suhu akan turun. Jika massa suatu bintang cukup kecil, seperti Matahari, maka ia akan melewati fase raksasa merah dan menjadi katai putih.
Jika massanya besar, maka bintang akan mulai menyusut karena beratnya sendiri. Akan terjadi keruntuhan yang bisa kita lihat sebagai ledakan supernova. Ini adalah proses yang sangat kompleks, terdiri dari banyak fase, dan belum semua detailnya jelas bagi para ilmuwan, namun banyak yang sudah jelas. Misalnya, diketahui bahwa nasib sebuah bintang selanjutnya bergantung pada massanya sebelum keruntuhannya. Hasil kompresi tersebut dapat berupa bintang neutron atau lubang hitam, atau kombinasi beberapa objek tersebut dan katai putih.
“Lubang hitam adalah hasil dari runtuhnya bintang-bintang terberat”
Bintang neutron dan katai putih tidak jatuh ke dalam lubang hitam karena mereka tidak memiliki massa yang cukup untuk mengatasi tekanan gas neutron atau elektron. Tekanan-tekanan ini disebabkan oleh efek kuantum yang mulai berlaku setelah kompresi yang sangat kuat. Pembahasan yang terakhir ini tidak berhubungan langsung dengan fisika lubang hitam dan berada di luar cakupan buku ini.
Namun, jika, misalnya, sebuah bintang neutron terletak di sistem bintang biner, maka ia dapat menarik materi dari bintang pendampingnya. Dalam hal ini, massanya akan bertambah dan jika melebihi nilai kritis tertentu, keruntuhan akan terjadi lagi, kali ini dengan terbentuknya lubang hitam. Massa kritis ditentukan dari kondisi bahwa gas neutron menghasilkan tekanan yang tidak cukup untuk mencegah kompresi lebih lanjut.
*Ini adalah perkiraan. Nilai pasti dari batas tersebut belum diketahui. - Kira-kira. pengarang.
Jadi, lubang hitam merupakan hasil runtuhnya bintang terberat. Dalam pemahaman modern, massa inti bintang setelah pembakaran bahan bakar termonuklir setidaknya harus dua setengah massa matahari*. Tidak ada materi yang kita kenal yang mampu menciptakan tekanan sedemikian rupa sehingga massa sebesar itu tidak terkompresi menjadi lubang hitam jika semua bahan bakar termonuklir habis terbakar. Fakta-fakta yang secara eksperimental mengkonfirmasi batasan massa bintang untuk pembentukan lubang hitam yang disebutkan di atas akan kita bahas nanti, ketika kita berbicara tentang bagaimana para astronom menemukan lubang hitam. […]
Beras. 7. Kesalahpahaman tentang keruntuhan dari sudut pandang pengamat luar sebagai keruntuhan abadi yang melambat dan bukannya pembentukan cakrawala lubang hitam
Sehubungan dengan pembahasan kita, akan bermanfaat jika menggunakan contoh untuk mengingat kembali keterkaitan berbagai ide dan konsep dalam sains. Kisah ini dapat memberi pembaca gambaran tentang kedalaman potensi masalah yang sedang dibahas.
Diketahui bahwa Galileo mengemukakan apa yang sekarang disebut hukum kerangka acuan inersia Newton sebagai tanggapan atas kritik terhadap sistem Copernicus. Kritiknya adalah bahwa Bumi tidak dapat berputar mengelilingi Matahari karena jika tidak, kita tidak akan dapat tetap berada di permukaannya.
Sebagai tanggapan, Galileo berpendapat bahwa Bumi berputar mengelilingi Matahari secara inersia. Namun kita tidak dapat membedakan gerak inersia dari keadaan diam, sama seperti kita tidak merasakan gerak inersia, misalnya sebuah kapal. Pada saat yang sama, dia tidak percaya pada gaya gravitasi antara planet dan bintang, karena dia tidak percaya pada aksi di kejauhan, dan dia bahkan tidak tahu tentang keberadaan medan. Dan saya tidak akan menerima penjelasan abstrak seperti itu pada saat itu.
Galileo berpendapat bahwa gerak inersia hanya dapat terjadi sepanjang kurva ideal, yaitu bumi hanya dapat bergerak melingkar atau melingkar, yang pusatnya berputar mengelilingi Matahari. Artinya, mungkin terdapat tumpang tindih gerakan inersia yang berbeda. Jenis gerakan terakhir ini dapat dibuat lebih kompleks dengan menambahkan lebih banyak lingkaran pada komposisinya. Rotasi seperti ini disebut gerak sepanjang epicycles. Ia diciptakan untuk menyelaraskan sistem Ptolemeus dengan posisi planet yang diamati.
Omong-omong, pada saat penciptaannya, sistem Copernicus menggambarkan fenomena yang diamati jauh lebih buruk daripada sistem Ptolemeus. Karena Copernicus juga hanya percaya pada gerak lingkaran sempurna, ternyata pusat orbit beberapa planet terletak di luar Matahari. (Yang terakhir ini adalah salah satu alasan Copernicus menunda penerbitan karyanya. Bagaimanapun, ia percaya pada sistemnya berdasarkan pertimbangan estetika, dan adanya perpindahan aneh pusat orbit di luar Matahari tidak sesuai dengan pertimbangan ini.)
Penting untuk dicatat bahwa, pada prinsipnya, sistem Ptolemy dapat menggambarkan data yang diamati dengan akurasi yang telah ditentukan - hanya perlu menambahkan jumlah epicycles yang diperlukan. Namun, terlepas dari semua kontradiksi logis dalam gagasan awal penciptanya, hanya sistem Copernicus yang dapat mengarah pada revolusi konseptual dalam pandangan kita tentang alam - menuju hukum gravitasi universal, yang menggambarkan pergerakan planet dan jatuhnya planet. sebuah apel di kepala Newton, dan kemudian ke konsep medan.
Oleh karena itu, Galileo membantah gerak Keplerian planet-planet sepanjang elips. Dia dan Kepler bertukar surat, yang ditulis dengan nada agak kesal*. Hal ini terjadi meskipun mereka mendukung penuh sistem planet yang sama.
Jadi, Galileo percaya bahwa Bumi bergerak mengelilingi Matahari secara inersia. Dari sudut pandang mekanika Newton, ini jelas merupakan kesalahan, karena gaya gravitasi bekerja di Bumi. Namun, dari sudut pandang teori relativitas umum, Galileo pasti benar: berdasarkan teori ini, benda-benda dalam medan gravitasi bergerak secara inersia, setidaknya ketika gravitasinya sendiri dapat diabaikan. Pergerakan ini terjadi sepanjang apa yang disebut kurva geodesik. Di ruang datar, ini hanyalah garis dunia lurus, tetapi dalam kasus planet di tata surya, ini adalah garis dunia geodesik yang sesuai dengan lintasan elips, dan tidak harus berbentuk lingkaran. Sayangnya, Galileo tidak mengetahui hal ini.
Namun, dari teori relativitas umum diketahui bahwa pergerakan terjadi sepanjang geodesi hanya jika kelengkungan ruang oleh benda yang bergerak itu sendiri (planet) dapat diabaikan dan diasumsikan bahwa kelengkungan tersebut semata-mata disebabkan oleh pusat gravitasi (Matahari). . Sebuah pertanyaan wajar muncul: apakah Galileo benar tentang gerak inersia Bumi mengelilingi Matahari? Meskipun ini bukan pertanyaan yang penting, karena kita sekarang mengetahui alasan mengapa manusia tidak terbang dari Bumi, ini mungkin ada hubungannya dengan deskripsi geometris gravitasi.
Bagaimana Anda bisa “melihat” lubang hitam?
[…] Sekarang mari kita beralih ke diskusi tentang bagaimana lubang hitam diamati di langit berbintang. Jika lubang hitam telah menghabiskan seluruh materi yang mengelilinginya, maka lubang hitam hanya dapat dilihat melalui distorsi sinar cahaya dari bintang jauh. Artinya, jika ada lubang hitam dalam bentuk murni tidak jauh dari kita, maka kita akan melihat kira-kira seperti yang terlihat di sampulnya. Namun meski mengalami fenomena seperti itu, orang tidak dapat memastikan bahwa ini adalah lubang hitam, dan bukan hanya benda masif yang tidak bercahaya. Dibutuhkan beberapa usaha untuk membedakan satu dari yang lain.
Namun kenyataannya, lubang hitam dikelilingi oleh awan yang mengandung partikel elementer, debu, gas, meteorit, planet, dan bahkan bintang. Oleh karena itu, para astronom mengamati sesuatu seperti gambar yang ditunjukkan pada Gambar. 9. Tapi bagaimana mereka menyimpulkan bahwa itu adalah lubang hitam dan bukan sejenis bintang?
Beras. 9. Kenyataannya jauh lebih membosankan, dan kita harus mengamati lubang hitam yang dikelilingi oleh berbagai benda langit, gas, dan awan debu
Untuk memulai, pilih area berukuran tertentu di langit berbintang, biasanya di sistem bintang biner atau di inti galaksi aktif. Spektrum radiasi yang memancar darinya menentukan massa dan perilaku zat di dalamnya. Selanjutnya, tercatat bahwa radiasi yang memancar dari objek tersebut, seperti dari partikel yang jatuh dalam medan gravitasi, dan bukan hanya dari reaksi termonuklir yang terjadi di dalam perut bintang. Radiasi, yang khususnya merupakan hasil gesekan timbal balik materi yang jatuh pada benda angkasa, mengandung radiasi gamma yang jauh lebih energik daripada hasil reaksi termonuklir.
“Lubang hitam dikelilingi oleh awan yang mengandung partikel elementer, debu, gas, meteorit, planet, dan bahkan bintang.”
Jika wilayah yang diamati cukup kecil, bukan pulsar, dan memiliki massa besar terkonsentrasi di dalamnya, maka disimpulkan bahwa itu adalah lubang hitam. Pertama, secara teoritis diperkirakan bahwa setelah bahan bakar fusi habis, tidak ada materi yang dapat menciptakan tekanan yang dapat mencegah keruntuhan massa sebesar itu di wilayah yang begitu kecil.
Kedua, seperti yang baru saja ditegaskan, objek yang dimaksud tidak boleh pulsar. Pulsar adalah bintang neutron yang, tidak seperti lubang hitam, memiliki permukaan dan berperilaku seperti magnet besar, yang merupakan salah satu karakteristik medan elektromagnetik yang lebih halus daripada muatan. Bintang neutron, yang merupakan hasil kompresi yang sangat kuat dari bintang asli yang berotasi, berputar lebih cepat lagi, karena momentum sudut harus kekal. Hal ini menyebabkan bintang-bintang tersebut menciptakan medan magnet yang bervariasi dari waktu ke waktu. Yang terakhir ini memainkan peran utama dalam pembentukan karakteristik radiasi berdenyut.
Semua pulsar yang ditemukan sejauh ini memiliki massa kurang dari dua setengah massa matahari. Sumber karakteristik radiasi gamma energik yang massanya melebihi batas ini bukanlah pulsar. Seperti dapat dilihat, batas massa ini bertepatan dengan prediksi teoretis yang dibuat berdasarkan wujud materi yang kita ketahui.
Semua ini, meskipun bukan observasi langsung, merupakan argumen yang cukup meyakinkan yang mendukung fakta bahwa yang dilihat para astronom hanyalah lubang hitam, dan bukan yang lainnya. Meski apa yang bisa dianggap observasi langsung dan apa yang tidak, menjadi pertanyaan besar. Lagi pula, Anda, pembaca, tidak melihat buku itu sendiri, tetapi hanya cahaya yang tersebar di dalamnya. Dan hanya kombinasi sensasi sentuhan dan visual yang meyakinkan Anda tentang realitas keberadaannya. Demikian pula, para ilmuwan menarik kesimpulan tentang realitas keberadaan suatu benda berdasarkan totalitas data yang mereka amati.
KERUGIAN GRAVITASI, kompresi hidrodinamik suatu benda luar angkasa di bawah pengaruh gaya gravitasinya sendiri, yang menyebabkan pengurangan ukurannya secara signifikan. Untuk berkembangnya keruntuhan gravitasi, gaya tekanan (tolak-menolak) harus tidak ada sama sekali atau, setidaknya, tidak cukup untuk melawan gaya gravitasi. Keruntuhan gravitasi terjadi pada dua tahap ekstrim evolusi bintang. Pertama, kelahiran sebuah bintang dimulai dengan keruntuhan gravitasi awan gas dan debu. Kedua, beberapa bintang mengakhiri evolusinya melalui keruntuhan gravitasi, bagian tengahnya (inti) berubah menjadi bintang neutron atau lubang hitam. Pada saat yang sama, cangkang yang dijernihkan dapat terlontar oleh gelombang kejut yang kuat, yang menyebabkan ledakan supernova. Keruntuhan gravitasi juga terjadi pada skala yang lebih besar - pada tahap tertentu dalam evolusi inti galaksi. Pengamatan astronomi menggunakan teleskop luar angkasa yang mengorbit dalam rentang optik, IR, dan sinar-X secara meyakinkan menunjukkan adanya lubang hitam masif dengan berat beberapa juta hingga beberapa miliar massa matahari di pusat beberapa galaksi. Di pusat Galaksi kita terdapat objek "titik" yang tidak terlihat - sebuah lubang hitam dengan massa 3 juta massa matahari, ditentukan dari orbit bintang-bintang tetangga yang mengorbitnya. Lubang hitam seperti itu awalnya muncul karena keruntuhan gravitasi dan kemudian secara bertahap meningkatkan massanya, menyerap materi di sekitarnya.
Keruntuhan gravitasi dikaitkan dengan hilangnya stabilitas suatu benda sehubungan dengan kompresi di bawah pengaruh gaya gravitasi. Setelah kehilangan stabilitas seiring waktu, benda semakin menyimpang dari keadaan awal keseimbangan hidrostatik, dan gaya gravitasi mulai mendominasi gaya tekanan, yang menyebabkan percepatan kompresi lebih lanjut. Keruntuhan gravitasi selama kelahiran bintang dan pembentukan bintang neutron serta lubang hitam didasarkan pada proses fisik yang sangat berbeda. Namun, gambaran hidrodinamik perkembangan keruntuhan gravitasi pada dasarnya sama pada kedua kasus tersebut.
Kelahiran bintang dikaitkan dengan ketidakstabilan gravitasi medium antarbintang. Pada masa pembentukan bintang neutron dan lubang hitam, pendorong timbulnya keruntuhan gravitasi adalah hilangnya stabilitas bintang akibat disosiasi inti atom menjadi nukleon penyusunnya dan/atau neutronisasi materi bintang (penangkapan elektron secara besar-besaran oleh atom). inti), disertai dengan kehilangan energi yang besar melalui emisi elektron neutrino.
Keruntuhan gravitasi yang telah dimulai berkembang dengan kecepatan yang semakin cepat, terutama karena dua alasan. Pertama, pengeluaran energi untuk pembelahan partikel materi (disosiasi molekul dan ionisasi atom selama kompresi awan protobintang, disosiasi inti atom selama pembentukan bintang neutron) menyebabkan penurunan laju kenaikan tekanan yang mencegah kompresi materi. Kedua, kehilangan energi yang besar akibat radiasi selama keruntuhan gravitasi semakin memperlambat peningkatan tekanan.
Penjelasan rinci tentang keruntuhan gravitasi hanya dapat diperoleh dengan menggunakan komputer berkecepatan tinggi, dengan mempertimbangkan mekanisme spesifik hilangnya energi (radiasi IR atau neutrino) dan sifat fisik lainnya dari zat yang runtuh. Semakin besar kepadatan materi di dalam volume yang runtuh, semakin cepat terjadinya keruntuhan gravitasi. Oleh karena itu, wilayah dekat pusat bintang (inti pusat) akan runtuh terlebih dahulu. Setelah keruntuhan gravitasi inti berhenti, substansi cangkang bertabrakan dengannya dengan kecepatan supersonik, membentuk gelombang kejut (SW) yang kuat. Di wilayah tengah objek, tekanan berlebih muncul, di bawah pengaruh gelombang kejut yang bergerak ke arah luar. Guncangan tersebut tidak hanya menghentikan jatuhnya cangkang, tetapi juga dapat memberikan kecepatan pada lapisan luar yang menjauh dari pusat. Efek ini, yang ditemukan dalam perhitungan rinci keruntuhan gravitasi, disebut refleksi hidrodinamik (pantulan). Keberadaannya penting untuk mendiagnosis keruntuhan gravitasi dalam pengamatan, khususnya teori ledakan supernova.
Setelah massa utama cangkang jatuh ke inti dan redaman yang disebabkan oleh refleksi hidrodinamik dari denyut inti, keruntuhan gravitasi sebenarnya berakhir. Namun, sebagian besar energi yang dilepaskan selama keruntuhan gravitasi tidak punya waktu untuk dipancarkan dan akhirnya disimpan dalam bentuk panas dalam objek padat yang seimbang secara hidrostatis (dalam protobintang atau bintang neutron panas). Saat energi dipancarkan, protobintang terus berkontraksi secara perlahan. Sesuai dengan teorema virial, suhu di pusat protobintang meningkat dan, pada akhirnya, mencapai nilai yang cukup untuk terjadinya reaksi termonuklir - protobintang berubah menjadi bintang biasa.
Pada tahap akhir evolusi bintang masif, kondisi yang mendukung pembentukan inti bintang yang tidak stabil terhadap keruntuhan gravitasi dengan massa melebihi massa batas bintang neutron (2-3 massa matahari) dapat diciptakan. Dalam keadaan seperti itu, keruntuhan gravitasi tidak dapat lagi berhenti pada keadaan peralihan dari bintang neutron kesetimbangan dan berlanjut tanpa batas dengan pembentukan lubang hitam. Peran utama di sini dimainkan oleh pengaruh teori relativitas umum, oleh karena itu keruntuhan gravitasi seperti itu disebut relativistik.
Keruntuhan gravitasi dapat dipengaruhi secara signifikan oleh rotasi benda yang runtuh dan medan magnetnya. Dengan tetap menjaga momentum sudut dan fluks magnet, kecepatan rotasi dan medan magnet meningkat selama proses kompresi, yang dapat mengubah gambaran keruntuhan gravitasi tidak hanya secara kuantitatif, tetapi juga kualitatif. Misalnya, jika tidak ada simetri bola, kehilangan energi melalui emisi gelombang gravitasi menjadi mungkin terjadi. Rotasi awal yang cukup kuat dapat menghentikan keruntuhan gravitasi pada tahap peralihan, ketika kompresi lebih lanjut hanya mungkin terjadi dengan adanya beberapa mekanisme hilangnya momentum sudut atau ketika benda terfragmentasi menjadi gumpalan yang lebih kecil. Teori kuantitatif keruntuhan gravitasi dengan memperhitungkan rotasi dan/atau medan magnet baru mulai berkembang dan didasarkan pada pencapaian matematika komputasi modern. Hasil yang diperoleh untuk keruntuhan gravitasi tanpa memperhitungkan rotasi dan medan magnet, namun memiliki signifikansi penerapan yang penting dan dalam beberapa kasus, tampaknya merupakan perkiraan yang baik terhadap kenyataan.
Studi tentang keruntuhan gravitasi mendapat perhatian khusus sehubungan dengan pencapaian astronomi inframerah, yang memungkinkan pengamatan kelahiran bintang, serta pembangunan observatorium neutrino bawah tanah yang mampu mendeteksi ledakan radiasi neutrino jika terjadi. pembentukan bintang neutron dan lubang hitam di Galaksi kita.
Lit.: Zeldovich Ya.B., Novikov I.D. Teori gravitasi dan evolusi bintang. M., 1971; Shklovsky I. S. Bintang: kelahiran, kehidupan dan kematian mereka. edisi ke-3. M., 1984; Fisika luar angkasa: Ensiklopedia kecil. edisi ke-2. M., 1986: Ensiklopedia fisik. M., 1988. Jilid 1.
Komponen utama biner gerhana memiliki magnitudo visual absolut; koreksi bolometrik yang sesuai dengan spektrumnya adalah sekitar , sehingga: Matahari memancarkan lebih banyak energi daripada Matahari, 2,5121484 = 860.000 kali, namun massanya 19 kali lebih besar dari Matahari sehingga ia memancarkan 45.000 kali lebih banyak per 1 g materi daripada Matahari. Matahari menghasilkan radiasi per 1 g massa. Dengan cara yang sama, kita menemukan bahwa komponen B dari bintang ganda visual Kruger 60 memancarkan materi 80 kali lebih sedikit per 1 gnya dibandingkan Matahari, yaitu untuknya. Radiasi spesifik Sirius B, katai putih, bahkan lebih rendah lagi: . Sementara itu, perubahan suhu rata-rata T suatu bintang jauh lebih kecil untuk bintang yang sama (kecuali, mungkin, katai putih) (lihat hal. 196). Sulit untuk berasumsi sebelumnya bahwa dalam ketiga kasus tersebut mekanisme pembangkitan energinya sama, namun jika sama, maka jelas sangat sensitif terhadap perubahan kondisi fisik di dalam bintang, khususnya suhu. Dari berbagai kemungkinan jenis pembangkitan energi di bintang, dua hal berikut ini penting:
a) kompresi gravitasi,
b) proses termonuklir.
KOMPRESI GRAVITASI
Jika bola yang dijernihkan dikompresi, maka energi potensialnya berkurang [lihat. (15.8)]; penurunan ini menyebabkan peningkatan energi kinetik partikel bola, yaitu peningkatan suhu ketika bola berbentuk gas (lihat (15.9)).
Energi panas internal gas ideal yang telah mencapai suhu sama dengan 1 g, untuk seluruh bintang adalah sebesar ini
Integralnya sama dengan . Dengan mengganti persamaan dari (15.9), dimana , dan menjumlahkan persamaan energi potensial dari (15.8), kita dapat dengan mudah memperoleh
Energi Total
Untuk gas monoatomik dan, oleh karena itu, mengabaikan tekanan radiasi bintang (yang ), kita akan mendapatkan
yaitu energi total sama dengan separuh energi potensial dan perubahannya hanya separuh perubahan energi potensial.
Model politropik yang penerapannya cukup luas memiliki energi potensial
Di sini n adalah kelas politropi (di mana energi menjadi positif, yaitu bola memiliki dimensi yang sangat besar) dan untuk model konvektif
dan untuk model standar
Laju perubahan energi tentunya harus diidentifikasikan dengan luminositas bintang pada tahap kompresi:
Seperti yang terlihat dari persamaan (17.4). perubahan energi total, yang kita samakan pada (17.8) dengan luminositas, hanya menyumbang setengah dari perubahan energi potensial bintang. Separuh sisanya digunakan untuk menghangatkannya.
Jika kita substitusikan ke ruas kanan (17.9) sebagai ganti L emisi sinar Matahari, dan sebagai ganti R massa dan jari-jari Matahari, maka kita akan mendapatkan
(17.10)
Dengan mengambil pendekatan formal pada penghitungan terakhir, kita dapat mengatakan bahwa jika kita berasumsi Matahari berkontraksi, maka dengan karakteristik Matahari saat ini, jari-jari Matahari “cukup” hanya dalam beberapa tahun untuk mengkompensasi hilangnya panas sebesar radiasi. Intinya, kita harus mengatakan bahwa di bawah kompresi gravitasi, Matahari berubah secara signifikan selama 25 juta tahun. Namun sejarah geologi Bumi mengajarkan kita bahwa Matahari kurang lebih selalu menyinari Bumi selama sekitar 3 miliar tahun dan, oleh karena itu, skala waktu yang ditunjukkan sekitar 20 juta tahun, yang disebut skala waktu kontraksi Kelvin-Helmholtz, adalah tidak cocok untuk menjelaskan evolusi modern Matahari. Ini sangat cocok untuk evolusi bintang yang mengembun ketika dipanaskan selama kompresi hingga pemanasan menjadi begitu kuat sehingga reaksi termonuklir dapat diaktifkan.
KERUGIAN GRAVITASI
kompresi dan disintegrasi yang cepat dari awan atau bintang antarbintang di bawah pengaruh gravitasinya sendiri. Keruntuhan gravitasi merupakan fenomena astrofisika yang sangat penting; ia terlibat dalam pembentukan bintang, gugus bintang, dan galaksi, serta kematian beberapa di antaranya. Di ruang antarbintang terdapat banyak awan yang sebagian besar terdiri dari hidrogen dengan kepadatan kira-kira. 1000 at/cm3, ukuran dari 10 hingga 100 St. bertahun-tahun. Strukturnya dan, khususnya, kepadatannya terus berubah di bawah pengaruh tumbukan timbal balik, pemanasan oleh radiasi bintang, tekanan medan magnet, dll. Ketika kepadatan awan atau bagiannya menjadi begitu besar sehingga gravitasi melebihi tekanan gas, awan mulai menyusut tak terkendali - ia runtuh. Ketidakhomogenan kepadatan awal yang kecil menjadi lebih kuat selama proses keruntuhan; Akibatnya, awan terfragmentasi, mis. pecah menjadi beberapa bagian, yang masing-masing terus menyusut. Secara umum, ketika gas dikompresi, suhu dan tekanannya meningkat, yang dapat mencegah kompresi lebih lanjut. Meskipun awan tersebut transparan terhadap radiasi infra merah, ia mudah mendingin dan kompresinya tidak berhenti. Namun, seiring dengan meningkatnya kepadatan masing-masing fragmen, pendinginannya menjadi lebih sulit dan peningkatan tekanan menghentikan keruntuhan - beginilah cara sebuah bintang terbentuk, dan seluruh kumpulan fragmen awan yang telah berubah menjadi bintang membentuk gugus bintang. Runtuhnya awan menjadi sebuah bintang atau gugus bintang berlangsung sekitar satu juta tahun – relatif cepat dalam skala kosmik. Setelah itu, reaksi termonuklir yang terjadi di dalam perut bintang mempertahankan suhu dan tekanan, sehingga mencegah kompresi. Selama reaksi ini, unsur kimia ringan diubah menjadi unsur yang lebih berat, melepaskan energi yang sangat besar (mirip dengan apa yang terjadi ketika bom hidrogen meledak). Energi yang dilepaskan meninggalkan bintang dalam bentuk radiasi. Bintang-bintang masif memancarkan radiasi yang sangat kuat dan membakar “bahan bakar” mereka hanya dalam beberapa puluh juta tahun. Bintang bermassa rendah memiliki cukup bahan bakar untuk bertahan selama miliaran tahun dalam pembakaran lambat. Cepat atau lambat, bintang mana pun akan kehabisan bahan bakar, reaksi termonuklir di inti akan terhenti, dan karena tidak memiliki sumber panas, ia akan tetap bergantung pada gravitasinya sendiri, sehingga menyebabkan kematian bintang tersebut.
Runtuhnya bintang bermassa rendah. Jika, setelah kehilangan selubungnya, sisa bintang memiliki massa kurang dari 1,2 massa matahari, maka keruntuhan gravitasinya tidak akan terlalu parah: bahkan bintang yang menyusut dan tidak memiliki sumber panas memperoleh kemampuan baru untuk melawan gravitasi. Pada kepadatan materi yang tinggi, elektron mulai saling tolak menolak secara intensif; ini bukan karena muatan listriknya, tetapi karena sifat mekanik kuantumnya. Tekanan yang dihasilkan hanya bergantung pada massa jenis zat dan tidak bergantung pada suhunya. Fisikawan menyebut sifat ini sebagai degenerasi elektron. Pada bintang bermassa rendah, tekanan materi yang mengalami degenerasi dapat melawan gravitasi. Kontraksi sebuah bintang berhenti ketika ukurannya kira-kira sebesar Bumi. Bintang-bintang seperti itu disebut katai putih karena cahayanya lemah, tetapi segera setelah kompresi, mereka memiliki permukaan yang agak panas (putih). Namun, suhu katai putih berangsur-angsur menurun, dan setelah beberapa miliar tahun, bintang seperti itu sudah sulit untuk diperhatikan: ia menjadi benda dingin yang tidak terlihat.
Runtuhnya bintang masif. Jika massa sebuah bintang lebih dari 1,2 massa matahari, maka tekanan elektron yang mengalami degenerasi tidak mampu melawan gravitasi, dan bintang tersebut tidak dapat menjadi katai putih. Keruntuhannya yang tidak terkendali terus berlanjut hingga zat tersebut mencapai kepadatan yang sebanding dengan kepadatan inti atom (kira-kira 3 * 10 14 g/cm3). Dalam hal ini, sebagian besar materi berubah menjadi neutron, yang, seperti elektron pada katai putih, mengalami degenerasi. Tekanan materi neutron yang mengalami degenerasi dapat menghentikan kontraksi sebuah bintang jika massanya tidak melebihi kira-kira 2 massa matahari. Bintang neutron yang dihasilkan hanya berdiameter ca. 20km. Ketika kontraksi cepat bintang neutron tiba-tiba berhenti, seluruh energi kinetik berubah menjadi panas dan suhu meningkat hingga ratusan miliar kelvin. Akibatnya, terjadi suar raksasa pada bintang, lapisan luarnya terlempar keluar dengan kecepatan tinggi, dan luminositasnya meningkat beberapa miliar kali lipat. Para astronom menyebutnya sebagai “ledakan supernova”. Setelah sekitar satu tahun, kecerahan produk ledakan berkurang, gas yang dikeluarkan secara bertahap mendingin, bercampur dengan gas antarbintang, dan pada zaman berikutnya menjadi bagian dari bintang generasi baru. Bintang neutron yang muncul selama keruntuhan berputar dengan cepat dalam jutaan tahun pertama dan diamati sebagai pemancar variabel - pulsar. Jika massa bintang yang runtuh secara signifikan melebihi 2 massa matahari, maka kompresi tidak berhenti pada tahap bintang neutron, tetapi berlanjut hingga radiusnya berkurang hingga beberapa kilometer. Kemudian gaya gravitasi di permukaan meningkat sedemikian rupa sehingga seberkas cahaya pun tidak dapat meninggalkan bintang. Bintang yang telah runtuh sedemikian rupa disebut lubang hitam. Objek astronomi seperti itu hanya dapat dipelajari secara teoritis, menggunakan teori relativitas umum Einstein. Perhitungan menunjukkan bahwa kompresi lubang hitam tak kasat mata terus berlanjut hingga materi mencapai kepadatan yang sangat tinggi.
Lihat juga PULSAR; LUBANG HITAM .
LITERATUR
Shklovsky I.S., Bintang: kelahiran, kehidupan dan kematian mereka. M., 1984
Ensiklopedia Collier. - Masyarakat Terbuka. 2000 .
Lihat apa itu "RUNTUH GRAVITASI" di kamus lain:
Prosesnya bersifat hidrodinamik. kompresi tubuh di bawah pengaruhnya sendiri. kekuatan gravitasi. Proses di alam ini hanya mungkin terjadi pada benda yang cukup masif, khususnya bintang. Kondisi yang diperlukan untuk G.K. penurunan elastisitas VA di dalam bintang, menjadi segerombolan menyebabkan ... ... Ensiklopedia fisik
Kompresi benda-benda masif yang sangat cepat di bawah pengaruh gaya gravitasi. Keruntuhan gravitasi dapat mengakhiri evolusi bintang dengan massa melebihi dua massa matahari. Setelah kehabisan bahan bakar nuklir di bintang-bintang seperti itu, mereka kehilangan... ... kamus ensiklopedis
Model mekanisme keruntuhan gravitasi Keruntuhan gravitasi adalah kompresi benda-benda masif yang sangat cepat di bawah pengaruh gaya gravitasi. Gravitasi ke... Wikipedia
Kompresi benda-benda masif yang sangat cepat di bawah pengaruh gaya gravitasi. Evolusi bintang dengan massa melebihi dua massa matahari dapat berakhir dengan keruntuhan gravitasi. Setelah kehabisan bahan bakar nuklir di bintang-bintang seperti itu, mereka kehilangan... ... Kamus Astronomi
Keruntuhan gravitasi- (dari gravitasi dan lat. collapsus jatuh) (dalam astrofisika, astronomi) kompresi bintang yang sangat cepat pada tahap terakhir evolusi di bawah pengaruh gaya gravitasinya sendiri, melebihi gaya tekanan melemahnya gas (materi) yang dipanaskan .. .. Awal mula ilmu pengetahuan alam modern
Lihat Keruntuhan gravitasi... Ensiklopedia Besar Soviet
Kompresi benda-benda besar yang sangat cepat di bawah pengaruh gravitasi. kekuatan GK mungkin mengakhiri evolusi bintang bermassa St. dua massa matahari. Setelah bahan bakar nuklir di bintang-bintang tersebut habis, mereka kehilangan sifat mekaniknya. keberlanjutan dan... Ilmu pengetahuan Alam. kamus ensiklopedis
Lihat Keruntuhan Gravitasi... Kamus Ensiklopedis Besar
Lihat keruntuhan gravitasi. * * * KERUGIAN GRAVITASI GRAVITASI, lihat keruntuhan gravitasi (lihat KERUGIAN GRAVITASI) ... kamus ensiklopedis
Buku
- visi Einstein. , Wheeler J.A. , Buku karya fisikawan Amerika terkemuka D. A. Wheeler dikhususkan untuk presentasi dasar geometrodinamika - perwujudan impian Einstein "untuk mereduksi semua fisika menjadi geometri". Penulis memulai dengan... Kategori: Matematika dan sains Seri: Penerbit:
Di ruang antarbintang terdapat banyak awan yang sebagian besar terdiri dari hidrogen dengan kepadatan kira-kira. 1000 at/cm 3, ukuran dari 10 hingga 100 sv. bertahun-tahun. Strukturnya dan, khususnya, kepadatannya terus berubah di bawah pengaruh tumbukan timbal balik, pemanasan oleh radiasi bintang, tekanan medan magnet, dll. Ketika kepadatan awan atau bagiannya menjadi begitu besar sehingga gravitasi melebihi tekanan gas, awan mulai menyusut tak terkendali - ia runtuh. Ketidakhomogenan kepadatan awal yang kecil menjadi lebih kuat selama proses keruntuhan; Akibatnya, awan terfragmentasi, mis. pecah menjadi beberapa bagian, yang masing-masing terus menyusut.
Secara umum, ketika gas dikompresi, suhu dan tekanannya meningkat, yang dapat mencegah kompresi lebih lanjut. Meskipun awan tersebut transparan terhadap radiasi infra merah, ia mudah mendingin dan kompresinya tidak berhenti. Namun, seiring dengan meningkatnya kepadatan masing-masing fragmen, pendinginannya menjadi lebih sulit dan peningkatan tekanan menghentikan keruntuhan - beginilah cara sebuah bintang terbentuk, dan seluruh kumpulan fragmen awan yang telah berubah menjadi bintang membentuk gugus bintang.
Runtuhnya awan menjadi sebuah bintang atau gugus bintang berlangsung sekitar satu juta tahun—relatif cepat dalam skala kosmik. Setelah itu, reaksi termonuklir yang terjadi di dalam perut bintang mempertahankan suhu dan tekanan, sehingga mencegah kompresi. Selama reaksi ini, unsur kimia ringan diubah menjadi unsur yang lebih berat, melepaskan energi yang sangat besar (mirip dengan apa yang terjadi ketika bom hidrogen meledak). Energi yang dilepaskan meninggalkan bintang dalam bentuk radiasi. Bintang-bintang masif memancarkan radiasi yang sangat kuat dan membakar “bahan bakar” mereka hanya dalam beberapa puluh juta tahun. Bintang bermassa rendah memiliki cukup bahan bakar untuk bertahan selama miliaran tahun dalam pembakaran lambat. Cepat atau lambat, bintang mana pun akan kehabisan bahan bakar, reaksi termonuklir di inti akan terhenti, dan karena tidak memiliki sumber panas, ia akan tetap bergantung pada gravitasinya sendiri, sehingga menyebabkan kematian bintang tersebut.
Runtuhnya bintang bermassa rendah.
Jika, setelah kehilangan selubungnya, sisa bintang memiliki massa kurang dari 1,2 massa matahari, maka keruntuhan gravitasinya tidak akan terlalu parah: bahkan bintang yang menyusut dan tidak memiliki sumber panas memperoleh kemampuan baru untuk melawan gravitasi. Pada kepadatan materi yang tinggi, elektron mulai saling tolak menolak secara intensif; ini bukan karena muatan listriknya, tetapi karena sifat mekanik kuantumnya. Tekanan yang dihasilkan hanya bergantung pada massa jenis zat dan tidak bergantung pada suhunya. Fisikawan menyebut sifat ini sebagai degenerasi elektron. Pada bintang bermassa rendah, tekanan materi yang mengalami degenerasi dapat melawan gravitasi. Kontraksi sebuah bintang berhenti ketika ukurannya kira-kira sebesar Bumi. Bintang-bintang seperti itu disebut katai putih karena cahayanya lemah, tetapi segera setelah kompresi, mereka memiliki permukaan yang agak panas (putih). Namun, suhu katai putih berangsur-angsur menurun, dan setelah beberapa miliar tahun, bintang seperti itu sudah sulit untuk diperhatikan: ia menjadi benda dingin yang tidak terlihat.
Runtuhnya bintang masif.
Jika massa sebuah bintang lebih dari 1,2 massa matahari, maka tekanan elektron yang mengalami degenerasi tidak mampu melawan gravitasi, dan bintang tersebut tidak dapat menjadi katai putih. Keruntuhannya yang tidak terkendali berlanjut hingga zat tersebut mencapai kepadatan yang sebanding dengan kepadatan inti atom (kira-kira 3H 10 14 g/cm 3). Dalam hal ini, sebagian besar materi berubah menjadi neutron, yang, seperti elektron pada katai putih, mengalami degenerasi. Tekanan materi neutron yang mengalami degenerasi dapat menghentikan kontraksi sebuah bintang jika massanya tidak melebihi kira-kira 2 massa matahari. Bintang neutron yang dihasilkan hanya berdiameter ca. 20km. Ketika kontraksi cepat bintang neutron tiba-tiba berhenti, seluruh energi kinetik berubah menjadi panas dan suhu meningkat hingga ratusan miliar kelvin. Akibatnya, terjadi suar raksasa pada bintang, lapisan luarnya terlempar keluar dengan kecepatan tinggi, dan luminositasnya meningkat beberapa miliar kali lipat. Para astronom menyebutnya sebagai “ledakan supernova”. Setelah sekitar satu tahun, kecerahan produk ledakan berkurang, gas yang dikeluarkan secara bertahap mendingin, bercampur dengan gas antarbintang, dan pada zaman berikutnya menjadi bagian dari bintang generasi baru. Bintang neutron yang muncul selama keruntuhan berputar dengan cepat dalam jutaan tahun pertama dan diamati sebagai pemancar variabel - pulsar.
Jika massa bintang yang runtuh secara signifikan melebihi 2 massa matahari, maka kompresi tidak berhenti pada tahap bintang neutron, tetapi berlanjut hingga radiusnya berkurang hingga beberapa kilometer. Kemudian gaya gravitasi di permukaan meningkat sedemikian rupa sehingga seberkas cahaya pun tidak dapat meninggalkan bintang. Bintang yang telah runtuh sedemikian rupa disebut lubang hitam. Objek astronomi seperti itu hanya dapat dipelajari secara teoritis, menggunakan teori relativitas umum Einstein. Perhitungan menunjukkan bahwa kompresi lubang hitam tak kasat mata terus berlanjut hingga materi mencapai kepadatan yang sangat tinggi.
