Теория тяготения и эволюция звезд - Зельдович Я.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Самозамыкание приводит к тому, что масса коллапсирующей звезды не может сильно уменьшаться за счет излучения энергии, и большая часть гравитационной энергии не излучается в виде света или нейтрино, а превращается в кинетическую энергию сжимающегося тела. Итак, мы можем сделать следующие выводы. Далекий наблюдатель видит, что катастрофически коллапсирую-щая звезда, когда ее ^размеры еще много больше г*, сжимается с гидродинамической скоростью, т. е. очень быстро. При (R — rg) ~ rg звезда продолжает стремительно сжиматься, за конечное собственное время достигает rg и продолжает сжиматься дальше; но для внешнего наблюдателя благодаря указанным эффектам, ее видимое сжатие резко замедляется, причем радиус стремится к rg по закону (11.7.1). Средняя плотность звезды стремится при этом к
т =
ГД-З)3
(11.7.4) 386
ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
[ГЛ. 11
Светимость звезды резко падает, несмотря на то, что фотоны продолжают рождаться в звезде почти в одном и том же темпе (в действительности даже в возрастающем темпе). Благодаря гравитационному красному смещению и другим указанным в § 5 гл. 3 эффектам светимость падает по закону (11.7.3). Характерное время затухания порядка rg/c и равно 2-Ю""5 сек для M = 2.М®, Звезда превращается в «застывшую» для внешнего наблюдателя звезду. Как показано в § 5 гл. 4, коллапс вращающегося шара для далекого наблюдателя качественно протекает так же, как и невращающегося. Учет давления вещества не меняет вывода. Здесь также характерно гравитационное самозамыкание и стремление к предельной картине «застывшей» звезды, как это описано выше. Подчеркнем, что в пределе, при оо, наблюдатель видит застывшую звезду невращающейся, но во внешнем поле гравитации члены, обязанные моменту К, сохраняются и неизменно проявляются.
Итак, несмотря на то, что гравитационное поле вращающейся звезды отличается от поля Шварцшильда, ее коллапс качественно протекает так же, как и у невращающейся. Звезда асимптотически подходит к «застывшему» состоянию и до «застывания» успевает совершить конечное число оборотов. Внешний наблюдатель никогда не узнает, что случилось со звездой, когда ее радиус стал меньше размеров поверхности «горизонта событий».
Хотя после гравитационного самозамыкания никакое излучение от звезды уже не уходит, однако звезда, конечно, не «исчезает» бесследно из нашего мира. При коллапсе не меняется ее масса M и ее стационарное гравитационное поле. Такая «потухшая» звезда взаимодействует с окружающими телами своим полем тяготения (чрезвычайно сильным вблизи ее гравитационного радиуса).
Мы нашли конечное состояние звезды с массой больше критической M A^max- Это состояние, катастрофически нестационарное для самой звезды, является «стационарным» в указанном выше смысле для внешнего наблюдателя. Так разрешается «парадокс больших масс», возникший благодаря работам Оппен-геймера и его сотрудников (1938; 1939) и обсуждающийся в литературе [см. работы Уилера и сотрудников (1962; 1965) и обзор Чиу (1964)]. На первый взгляд этот парадокс кажется весьма неприятным. Действительно, остывающая звезда с м > mSL после потери устойчивости неограниченно сжимается (никакого предела сжатия нет'). А что дальше? Уилеру эти трудности кажутся настолько существенными, что он предполагает (Уилер, 1962), что в большой массе «лишняя» часть нуклонов аннигилирует при сжатии, превращаясь в излучение, покидающее звезду, так что масса всегда оказывается меньше критической. Это предположение является отказом от фундаментального закона § 8] ИСПУСКАНИЕ НЕЙТРИНО ПРИ КОЛЛАПСЕ ОСТЫВШЕЙ ЗВЕЗДЫ 337
физики — закона сохранения барионного заряда, причем для больших масс критическая плотность, при которой должна происходить аннигиляция, весьма умеренна. Например, при M = = IO8 Af0 по формуле (11.7.4) имеем ркр = 2 г/см3. Невелики также и температуры, достигаемые при сжатии до критических размеров. При этих ничем непримечательных условиях заведомо не может происходить ничего такого, что не наблюдается в земных лабораториях, ничего фантастического. Необычно большими являются потенциал и поле тяготения, но согласно принципу эквивалентности само поле тяготения локально не меняет законов, управляющих физическими процессами.
С нашей точки зрения, никакого парадокса для внешнего наблюдателя нет. Для такрго наблюдателя коллапс «останавливается» при R-+- rg, и нет необходимости в изобретении фантастических нарушений надежно установленных законов физики. Конечно, есть вопрос о том, что будет с веществом, ушедшим под rg, но не с точки зрения внешнего, а с точки зрения сопутствующего наблюдателя. Этот вопрос и трудность ответа на него мы подробно обсудили в § 6 гл. 4.
§ 8. Испускание нейтрйно при коллапсе остывшей звезды
Вернемся к рассмотрению катастрофического сжатия, которое следует за потерей устойчивости. Звезда с массой, лишь немногим превышающей чандрасекаровский предел, теряет устойчивость и начинает коллапсировать, когда она практически остыла. В ходе гидродинамического сжатия такой звезды вырожденные электроны с ферми-энергией выше определенного порога вступают в обратный ?-процесс с ядрами атомов. Происходит нейтронизация вещества. Если сжимать вещество достаточно медленно, то для каждого сорта ядер существует своя критическая плотность вещества, при которой происходит нейтронизация. Эта плотность соответствует ферми-энергии электронов, равной порогу реакции нейтронизации. Напомним (см. § 5 гл. 6), что нейтронизация протонов
