Jak powstają czarne dziury?

Pytanie

Pyta Adam

Jaką masę mają gwiazdy, które się zapadają, tworząc czarne dziury? Czy dowolny obiekt o takiej masywności również by się zapadł i utworzył czarną dziurę?

Odpowiedź

Odpowiada prof. Marek Demiański

Odpowiedź na pierwsze pytanie: gwiazda, z której w końcu powstanie czarna dziura, powinna mieć początkową masę co najmniej 20 razy większą od masy Słońca. Takie gwiazdy w końcowych fazach swojej ewolucji są w stanie w swoim centrum „spalać” wszystkie pierwiastki lżejsze od żelaza. W końcu w środku gwiazdy powstaje żelazne centrum. Tam nie zachodzą już reakcje termojądrowe, więc nie wytwarza się energia. To wnętrze można w przybliżeniu uważać za białego karła zbudowanego z żelaza. Wiadomo, że masa stabilnego białego karła nie może przewyższać 1.4 masy Słońca. Gdy masa tego centralnego żelaznego jądra gwiazdy przekroczy tą granicę, centrum gwiazdy zapada się i powstaje gwiazda neutronowa. Jeżeli początkowa masa gwiazdy była większa od 20 mas Słońca, to energia wydzielona podczas zapadania centrum nie jest wystarczająco duża, aby odrzucić zewnętrzne warstwy. Część tych warstw spada na gwiazdę neutronowa powiększając jej masę. Jeżeli masa gwiazdy neutronowej przekroczy 3 masy Słońca, to gwiazda neutronowa zapada się grawitacyjnie i powstaje czarna dziura. Czarna dziura powstaje w samym centrum gwiazdy, znaczna część masy gwiazdy zostaje odrzucona, a cały proces dla ziemskiego obserwatora wygląda jak wybuch supernowej.

Odpowiedź na drugie pytanie: nie. Istnieją gromady gwiazd złożone nawet z kilkunastu milionów gwiazd, które się nie zapadają. Aby utworzyć czarną dziurę, materię o masie $m$ trzeba ścisnąć tak, aby jej promień $r$ (zakładając, że rozkład materii ma symetrię sferyczną) stał się mniejszy od
\[
\frac{2Gm}{c^2},
\]
gdzie $G$ to stała grawitacyjna, a $c$ prędkość światła w próżni.