Эволюция звёзд

Подавляющее большинство  звёзд, и Солнце в том числе, заканчивают  эволюцию, сжимаясь до тех пор, пока давление вырожденных электронов не уравновесит гравитацию. В этом состоянии, когда размер звезды уменьшается  в сотню раз, а плотность становится в миллион раз выше плотности  воды, звезду называют белым карликом. Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится тёмной и невидимой.

У звёзд более массивных, чем Солнце, давление вырожденных  электронов не может остановить дальнейшее сжатие ядра, и электроны начинают «вдавливаться» в атомные ядра, что  приводит к превращению протонов в нейтроны, между которыми не существует сил электростатического отталкивания. Такая нейтронизация вещества приводит к тому, что размер звезды, которая, фактически, представляет теперь одно огромное атомное ядро, измеряется несколькими километрами, а плотность  в 100 млн раз превышает плотность  воды. Такой объект называют нейтронной звездой; его равновесие поддерживается давлением вырожденного нейтронного  вещества.

Сверхмассивные  звёзды

После того, как звезда с  массой большей, чем пять солнечных, входит в стадию красного сверхгиганта, ее ядро под действием сил гравитации начинает сжиматься. По мере сжатия увеличиваются  температура и плотность, и начинается новая последовательность термоядерных реакций. В таких реакциях синтезируются  все более тяжёлые элементы: гелий, углерод, кислород, кремний и железо, что временно сдерживает коллапс ядра.

В конечном итоге, по мере образования  всё более тяжёлых элементов  периодической системы, из кремния  синтезируется железо-56. На этом этапе  дальнейший термоядерный синтез становится невозможен поскольку ядро железа-56 обладает максимальным дефектом массы  и образование более тяжёлых ядер с выделением энергии невозможно. Поэтому когда железное ядро звезды достигает определённого размера, то давление в нём уже не в состоянии противостоять тяжести наружных слоев звезды, и происходит незамедлительный коллапс ядра с нейтронизацией его вещества. То что происходит в дальнейшем, пока неясно до конца, но, в любом случае, происходящие процессы в считанные секунды приводят к взрыву сверхновой звезды невероятной силы.

Сопутствующий этому всплеск  нейтрино провоцирует ударную волну[источник не указан 749 дней. Сильные струи  нейтрино и вращающееся магнитное  поле выталкивают большую часть  накопленного звездой материала  — так называемые рассадочные  элементы, включая железо и более  лёгкие элементы. Разлетающаяся материя  бомбардируется вырываемыми из ядра нейтронами, захватывая их и тем  самым создавая набор элементов  тяжелее железа, включая радиоактивные, вплоть до урана (а возможно, даже до калифорния). Таким образом, взрывы сверхновых объясняют наличие в  межзвёздном веществе элементов  тяжелее железа, что, однако, не является единственно возможным способом их образования, к примеру это  демонстрируют технециевые звёзды.

Взрывная волна и струи  нейтрино уносят вещество прочь от умирающей звезды в межзвёздное  пространство. В последующем, остывая  и перемещаясь по космосу, этот материал сверхновой может столкнуться с  другим космическим «мусором», и  возможно, участвовать в образовании  новых звёзд, планет или спутников. Процессы, протекающие при образовании сверхновой, до сих пор изучаются, и пока в этом вопросе нет ясности. Также под вопросом остается момент, что же на самом деле остаётся от изначальной звезды. Тем не менее, рассматриваются два варианта: нейтронные звезды и чёрные дыры.

Нейтронные звёзды

Известно, что в некоторых  сверхновых сильная гравитация в  недрах сверхгиганта заставляет электроны  поглотиться атомным ядром, где  они, сливаясь с протонами, образуют нейтроны. Этот процесс называется нейтронизацией. Электромагнитные силы, разделяющие близлежащие ядра, исчезают. Ядро звезды теперь представляет собой  плотный шар из атомных ядер и отдельных нейтронов. Такие звёзды, известные, как нейтронные звёзды, чрезвычайно малы — не более размера крупного города, и имеют невообразимо высокую плотность. Период их обращения становится чрезвычайно мал по мере уменьшения размера звезды (благодаря сохранению момента импульса). Некоторые совершают 600 оборотов в секунду. У некоторых из них угол между вектором излучения и осью вращения может быть таким, что Земля попадает в конус образуемый этим излучением; в этом случае можно зафиксировать импульс излучения, повторяющийся через промежутки времени, равные периоду обращения звезды. Такие нейтронные звёзды получили название «пульсары», и стали первыми открытыми нейтронными звёздами.

Чёрные дыры

Далеко не все сверхновые становятся нейтронными звёздами. Если звезда обладает достаточно большой  массой, то коллапс звезды продолжится  и сами нейтроны начнут обрушиваться внутрь, пока её радиус не станет меньше Шварцшильдовского. После этого звезда становится чёрной дырой.

Существование чёрных дыр  было предсказано общей теорией  относительности. Согласно этой теории, материя и информация не может  покидать чёрную дыру ни при каких  условиях. Тем не менее, квантовая  механика, вероятно, делает возможными исключения из этого правила.

Остаётся ряд открытых вопросов. Главный среди них: «А есть ли чёрные дыры вообще?». Ведь чтобы  сказать точно, что данный объект — это чёрная дыра, необходимо наблюдать  его горизонт событий. Это невозможно сугубо по определению горизонта, но с помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой можно определить метрику вблизи объекта, а также  зафиксировать быструю, миллисекундную переменность. Эти свойства, наблюдаемые  у одного объекта, должны окончательно доказать существование чёрных дыр.

В настоящий момент существуют только косвенные наблюдения. Так, наблюдая светимость ядер активных галактик, можно  оценить массу объекта, на который  происходит аккреция. Также массу  объекта можно оценить по кривой вращения галактики или по частоте  обращения близких к объекту  звёзд, используя теорему вириала. Для многих галактик масса центра оказывается слишком большой  для любого объекта, кроме чёрной дыры. Есть объекты с явной аккрецией  вещества на них, но при этом не наблюдается  специфического излучения, вызванного ударной волной. Из этого можно  сделать вывод, что аккреция не останавливается  твёрдой поверхностью звезды, а просто уходит в области очень высокого красного смещения, где согласно с  современными представлениями (2009 год) никакой стационарный объект, кроме  чёрной дыры, невозможен.

Также открыты вопросы: возможен ли коллапс звезды непосредственно  в чёрную дыру, минуя сверхновую? Существуют ли сверхновые, которые  впоследствии станут чёрными дырами? Каково точное влияние изначальной  массы звезды на формирование объектов в конце её жизненного цикла?

широкое распространение  в астрофизике получило моделирование  структуры звёзд с испо льзованием вычислительной техники.