Коллапсар¶

Коллапсар — это гипотетический астрофизический объект, представляющий собой конечную стадию эволюции массивной звезды, которая завершается гравитационным коллапсом с образованием чёрной дыры. Термин «коллапсар» (от англ. collapsar, от collapse — «коллапс» и star — «звезда») был предложен в 1960-х годах для описания объекта, который, в отличие от нейтронной звезды, не останавливается на стадии устойчивого равновесия, а продолжает сжиматься под действием собственной гравитации, формируя сингулярность. В современной астрофизике коллапсары часто отождествляются с чёрными дырами звёздной массы, однако первоначально термин имел более узкое значение, связанное с механизмом гамма-всплесков.

¶История термина и концепции

Идея коллапсара возникла в рамках общей теории относительности. В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартленд Снайдер показали, что массивная звезда, исчерпавшая ядерное топливо, может неограниченно сжиматься, образуя «застывшую звезду» (согласно современной терминологии — чёрную дыру). В 1960-х годах, после открытия квазаров и пульсаров, астрофизики начали активно обсуждать сценарии коллапса. Термин «коллапсар» ввёл в обиход американский астрофизик Джон Уилер в 1964 году, чтобы различать объекты, коллапсирующие в чёрную дыру, и нейтронные звёзды, которые стабилизируются на стадии вырожденного нейтронного газа.

В 1970-х годах, после открытия чёрных дыр в двойных системах (например, Лебедь X-1), термин стал реже использоваться, уступив место более общему понятию «чёрная дыра звёздной массы». Однако в 1990-х годах он был возрождён в контексте моделирования гамма-всплесков. В 1993 году группа астрофизиков под руководством Станислава Войцеховского и Богдана Пачинского предложила «модель коллапсара» для объяснения длительных гамма-всплесков (GRB). Согласно этой модели, коллапсар — это быстро вращающаяся чёрная дыра, окружённая аккреционным диском из вещества, оставшегося после коллапса ядра звезды.

¶Физическая природа

Коллапсар образуется в результате коллапса ядра звезды, масса которой превышает предел Оппенгеймера — Волкова (около 2–3 солнечных масс для нейтронных звёзд). В отличие от нейтронной звезды, где давление вырожденного нейтронного газа останавливает сжатие, в коллапсаре гравитация преодолевает все известные силы, и вещество сжимается до размеров, меньших гравитационного радиуса (радиуса Шварцшильда). Для чёрной дыры массой в 10 солнечных масс гравитационный радиус составляет около 30 км.

Ключевые характеристики коллапсара:

• Гравитационный радиус: \( R_s = \frac{2GM}{c^2} \), где \( G \) — гравитационная постоянная, \( M \) — масса, \( c \) — скорость света.
• Горизонт событий: граница, за которой ничто, включая свет, не может покинуть объект.
• Сингулярность: точка с бесконечной плотностью в центре, где классические законы физики перестают действовать.

В модели коллапсара для гамма-всплесков ключевую роль играет аккреционный диск, который образуется из вещества, не успевшего упасть в чёрную дыру. Диск нагревается до миллиардов градусов, что приводит к излучению в гамма-диапазоне. Вращение коллапсара может быть очень быстрым (близким к предельному), что усиливает релятивистские эффекты.

¶Связь с гамма-всплесками

Одним из наиболее известных приложений концепции коллапсара является объяснение длительных гамма-всплесков (GRB). Эти всплески длятся от нескольких секунд до нескольких минут и характеризуются огромной энергией (до \(10^{54}\) эрг). Согласно модели коллапсара, всплеск возникает, когда массивная звезда (массой более 30 солнечных масс) коллапсирует, а её ядро превращается в чёрную дыру. Вращение и магнитное поле коллапсара создают релятивистскую струю (джет), которая пробивает оболочку звезды и генерирует гамма-излучение.

Основные этапы процесса:

1. Звезда-предшественник (обычно звезда Вольфа — Райе) теряет внешние слои.
2. Ядро коллапсирует, образуя коллапсар с аккреционным диском.
3. Аккреция вещества на чёрную дыру генерирует мощный поток энергии.
4. Вдоль оси вращения формируется джет, который ускоряется до релятивистских скоростей.
5. Джет взаимодействует с межзвёздной средой, вызывая послесвечение в рентгеновском, оптическом и радиодиапазонах.

Эта модель подтверждается наблюдениями: например, гамма-всплеск GRB 130427A, зарегистрированный в 2013 году, показал характерные признаки коллапсара, включая ассоциацию со сверхновой типа Ic.

¶Типы коллапсаров

В зависимости от массы и сценария коллапса выделяют несколько типов коллапсаров:

• Коллапсар звёздной массы: образуется из одиночной звезды массой от 10 до 100 солнечных масс. Масса чёрной дыры составляет от 3 до нескольких десятков солнечных масс.
• Коллапсар промежуточной массы: гипотетический объект массой от 100 до 100 000 солнечных масс, который может образовываться в результате слияния звёзд или коллапса массивных звёздных скоплений. Существование таких объектов пока не подтверждено.
• Коллапсар в двойной системе: образуется при аккреции вещества от звезды-компаньона, что может приводить к рентгеновским двойным системам (например, Лебедь X-1).

В контексте гамма-всплесков часто говорят о «быстровращающемся коллапсаре», который отличается высоким угловым моментом и сильным магнитным полем.

¶Наблюдательные свидетельства

Прямое наблюдение коллапсара невозможно, так как чёрные дыры не излучают в электромагнитном диапазоне. Однако их существование подтверждается косвенными методами:

• Рентгеновские двойные системы: в таких системах чёрная дыра аккрецирует вещество от звезды-компаньона, что вызывает рентгеновское излучение. Примеры: Лебедь X-1 (масса около 15 солнечных масс), V404 Лебедя.
• Гравитационные волны: детектирование слияний чёрных дыр (например, GW150914, зарегистрированный LIGO в 2015 году) подтверждает существование коллапсаров звёздной массы.
• Гамма-всплески: ассоциация длительных GRB со сверхновыми типа Ic указывает на коллапсарный механизм. Например, GRB 980425 был связан со сверхновой SN 1998bw.
• Квазары и активные ядра галактик: сверхмассивные чёрные дыры (миллионы и миллиарды солнечных масс) также можно рассматривать как коллапсары, но в галактическом масштабе.

¶Критика и альтернативные модели

Хотя модель коллапсара широко принята для объяснения длительных гамма-всплесков, существуют альтернативные гипотезы. Например, некоторые всплески могут быть вызваны слиянием нейтронных звёзд (модель «килоновой»), что подтверждено событием GW170817. Кроме того, для коротких гамма-всплесков (длительностью менее 2 секунд) коллапсарная модель менее применима — здесь чаще рассматривается слияние компактных объектов.

Критики отмечают, что модель коллапсара требует точного баланса между вращением, магнитным полем и массой, что делает её статистически редкой. Однако наблюдения показывают, что длительные GRB происходят нечасто (около одного в день во всей наблюдаемой Вселенной), что согласуется с редкостью коллапсаров.

¶Значение для астрофизики

Концепция коллапсара имеет фундаментальное значение для понимания эволюции звёзд, образования чёрных дыр и механизмов самых мощных взрывов во Вселенной. Она связывает несколько областей астрофизики: теорию звёздной эволюции, общую теорию относительности, физику плазмы и космологию. Изучение коллапсаров также помогает тестировать предсказания общей теории относительности в сильных гравитационных полях.

В России исследования коллапсаров проводятся в рамках проектов по гамма-астрономии (например, космическая обсерватория «Спектр-РГ») и гравитационно-волновой астрономии. Российские учёные, такие как академик Рашид Сюняев, внесли вклад в моделирование аккреции на чёрные дыры.

¶Источники

• Шапиро С., Тьюкольски С. «Чёрные дыры, белые карлики и нейтронные звёзды». — М.: Мир, 1985.
• Войцеховский С., Пачинский Б. «Модель коллапсара для гамма-всплесков» // Astrophysical Journal, 1993.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теория поля». — М.: Наука, 1988.
• Наблюдения LIGO/Virgo: Abbott B. P. et al. «GW150914: First observation of a binary black hole merger» // Physical Review Letters, 2016.
• Мазец Е. П. и др. «Гамма-всплески: наблюдения и модели». — СПб.: Наука, 2004.