Может ли водородное облако схлопнуться и образовать черную дыру?

В современной Вселенной газовые облака не могут коллапсировать прямо в черные дыры. Основная причина этого в том, что газ, обогащенный металлами от предыдущих поколений звезды, может эффективно охлаждаться, что приводит к фрагментации коллапсирующего газового облака.

Вернёмся на шаг назад и проследим за обвалом. Нестабильность определяется массой Джинса , наименьшей массой, которая может разрушиться, масштабируется как$T^{3/2}/\rho^{1/2}$, где$T$это температура и$\rho$плотность. Если газ может эффективно охлаждаться при коллапсе, то температура остается примерно постоянной, масса Джинса падает, и облако распадается на более мелкие ядра. Эти ядра обычно достигают звездных размеров.

Фрагментация прекращается, потому что в какой-то момент коллапса газ становится непрозрачным для инфракрасного излучения, и облако достигает грубого гидростатического равновесия. Теряемая тепловая энергия приводит к сжатию, и центр протозвезды нагревается. Ваш вопрос, по сути, спрашивает, возможно ли поместить облако в его радиус Шварцшильда до того, как оно зажжет ядерный синтез? Ответ - нет.

Радиус Шварцшильда равен$R_s = 2 GM/c^2$; мы можем использовать форму теоремы вириала , чтобы выяснить, насколько горячим будет центр газового облака в этой точке.

$$\Omega = -3 \int P\ dV,$$ где $\Omega$- гравитационная потенциальная энергия, $P$— давление, а интеграл — по объему газового облака. Сделав грубое предположение (которое будет иметь значение лишь в небольшом числовом коэффициенте), что давление в облаке постоянно, мы перепишем это как $$-\frac{3GM^2}{5R} = -3\frac{P}{\rho}\int dM = -3\frac{PM}{\rho}.$$ Теперь, если мы предположим идеальный газ со средней массой частиц $m$, затем $$\frac{GM}{5R} = \frac{\rho k_B T}{\rho m}$$ $$T = \frac{Gm}{5k_B}\left(\frac{M}{R}\right)$$

Теперь мы можем заменить$R=R_s$и найти

$$T = \frac{mc^2}{10k_B}$$ Другими словами, достигаемая температура не зависит от массы газового облака и, если принять $m \sim 1.67\times 10^{-27}/2$кг (для ионизированных атомов водорода), это $5\times 10^{11}$K. Это намного выше температуры, необходимой для начала ядерного синтеза, поэтому коллапс никогда не может привести к образованию черной дыры до образования звезды.

Однако в ранней Вселенной газовое облако могло коллапсировать прямо в сверхмассивные черные дыры, и, возможно, именно поэтому квазары существуют всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

Первичный газ, состоящий только из атомов водорода и гелия, не может очень эффективно охлаждаться, однако молекулы водорода могут эффективно излучать. Ключом к прямому коллапсу в черную дыру является предотвращение охлаждения и фрагментации газа. Этого можно достичь, если внешний источник УФ-излучения, обеспечиваемый первыми звездами, способен диссоциировать молекулы водорода. Тогда первичные облака менее подвержены фрагментации, потому что они нагреваются по мере того, как становятся более плотными, и масса Джинса не может стать маленькой. Эти большие облака не такие плотные, как облака меньшей массы, поскольку они приближаются к своим радиусам Шварцшильда, поэтому они не становятся непрозрачными для излучения, которое они производят, и они могут коллапсировать прямо в большие черные дыры ($10^4$к$10^5$солнечные массы).

См. этот пресс-релиз для альтернативного изложения этой идеи и ссылок на недавние научные статьи по этой теме (например, Agarawal et al. 2015 ; Regan et al. 2017 ; Smith, Bromm & Loeb 2017 ).

Теоретически это возможно, но практически невозможно, чтобы облако межзвездного газа с низкой плотностью превратилось в черную дыру, не сформировав предварительно звезду.

Википедия говорит, что холодные «плотные» межзвездные газовые облака могут иметь до$10^6$атомов на кубический сантиметр. Это дает нам массовую плотность примерно$\rho=2\times10^{-18} g/cm^3$. Радиус Шварцшильда черной дыры, образованной из газового облака такой плотности, определяется выражением:

$$r=\frac{2GM}{c^2}=\frac{2G}{c^2}\times\frac{4}{3}\pi r^3\rho$$

Решение для r дает:

$$r=\sqrt{\frac{3c^2}{8G\pi \rho}}=30,000\ light\ years$$

Это примерно расстояние от Солнца до центра галактики Млечный Путь. (См. расчет WolframAlpha .) Если бы вы могли волшебным образом и мгновенно сформировать этот шар из холодного плотного газа, он немедленно стал бы черной дырой с тем же самым радиусом Шварцшильда без предварительного образования звезд. Теперь масса этой черной дыры будет равна массе примерно 8000 галактик Млечного Пути (см. расчет ), и это показывает, почему это невозможно!

Любая реальная «попытка» создать облако газа с низкой плотностью, чтобы непосредственно создать черную дыру, вместо этого быстро сформирует множество галактик и звезд, которые затем нагреются и расширят газовое облако до гораздо более низкой плотности, так что ни одна черная дыра не сможет существовать. форму (пока эти звезды не пройдут через сверхновую, чтобы сформировать черные дыры звездной массы).