الانهيار بفعل الجاذبية

بالنسبة للنجوم المعزولة التي تشكلت بكتلة تتراوح بين مرة وسبع مرات كتلة الشمس، فإن المرحلة الأخيرة في تطورها هي القزم الأبيض. ويستغرق انهيار لب النجم إلى قزم أبيض عشرات آلاف السنين، بينما ينفجر النجم تاركًا غلافه الخارجي مكونًا سديمًا كوكبيًا . ^{[ 9 ]} قد يمتلك القزم الأبيض مجالًا مغناطيسيًا ، والذي قد يكون بقايا أحفورية لمجاله المغناطيسي النجمي الأصلي. ^{[ 10 ]} ولأن الانكماش الجذبي والاحتراق النووي المتبقي لا يُسهمان إلا بنسبة ضئيلة في الطاقة المنبعثة من القزم الأبيض، فإن معظم الإشعاع يأتي من الطاقة الحرارية المخزنة. وبالتالي، وعلى مدى مليارات السنين، ستستمر درجة حرارة القزم الأبيض في الانخفاض. ^{[ 11 ]}

إذا كان لجسم بحجم قزم أبيض نجم مرافق يدور حوله في مدار قريب، فإنه يستطيع امتصاص المادة من النجم المرافق، مما يزيد من كتلته وربما يزيد من سرعة دورانه. وعندما يتراكم الهيدروجين بكمية كافية على طول غلافه الخارجي، فإنه قد ينفجر مُشكِّلاً مستعرًا نجميًا . ولأن الانفجار لا يُزعزع استقرار القزم الأبيض، فإن هذه الدورة قد تتكرر مرارًا وتكرارًا. ^{[ 12 ]} وعلى الرغم من الانفجار النووي الحراري، فإنه يحتفظ ببعض المادة المتراكمة، مما يسمح للقزم الأبيض بمواصلة النمو في كتلته.

يُطلق على الحد الأقصى لكتلة القزم الأبيض عند نموه اسم حد تشاندراسيكار . ويُعادل هذا الحد حوالي مرة ونصف كتلة الشمس، وعندها يبدأ الانهيار الجذبي من جديد. قبل بلوغ هذا الحد، تُؤدي زيادة الكثافة ودرجة الحرارة داخل القزم الأبيض الكربوني-الأكسجيني إلى بدء جولة جديدة من الاندماج النووي، وهي عملية غير مُنظَّمة لأن وزن النجم مدعوم بالانحلال بدلًا من الضغط الحراري، مما يسمح لدرجة الحرارة بالارتفاع بشكل أُسِّي. ويؤدي الانفجار الكربوني الجامح الناتج إلى تفجير النجم بالكامل في مستعر أعظم من النوع Ia . ^{[ 13 ]}

يتمثل سيناريو بديل في اندماج قزمين أبيضين في نظام ثنائي متقارب؛ وهو ما يُعرف بنموذج الانحلال المزدوج. عندما تتجاوز الكتلة المُجتمعة حد تشاندراسيكار، ينتج عن ذلك مستعر أعظم من النوع Ia. ^{[ 13 ]}

تتشكل النجوم النيوترونية نتيجة الانهيار الجذبي لنوى النجوم الضخمة. وهي بقايا المستعرات العظمى من النوع Ib و Ic و II . ^{[ 14 ]} من المتوقع أن تمتلك النجوم النيوترونية غلافًا أو "غلافًا جويًا" من المادة العادية بسمك حوالي ملليمتر واحد، وتحته تتكون بالكامل تقريبًا من نيوترونات متراصة بإحكام تُسمى المادة النيوترونية ^{[ 15 ]} مع وجود كمية ضئيلة من الإلكترونات والبروتونات الحرة مختلطة بها. تبلغ كثافة هذه المادة النيوترونية المتدهورة حوالي6.65 × 10 ¹⁷  كجم/م ³ . ^{[ 16 ]}

إن مظهر النجوم المكونة من مادة غريبة وبنيتها الطبقية الداخلية غير واضح، إذ أن أي معادلة حالة مقترحة للمادة المتدهورة هي تخمينية للغاية. ^{[ 17 ]} قد تكون هناك أشكال أخرى افتراضية للمادة المتدهورة، والنجوم الناتجة من الكواركات ، والنجوم الغريبة (نوع من نجوم الكواركات)، ونجوم البريون ، إن وُجدت، ستكون في معظمها غير قابلة للتمييز عن النجوم النيوترونية : ففي أغلب الحالات، ستكون المادة الغريبة مخفية تحت قشرة من النيوترونات المتدهورة "العادية".

وفقًا لنظرية أينشتاين، بالنسبة للأجسام التي تتجاوز كتلتها حد تولمان-أوبنهايمر-فولكوف (أي ما يقارب ضعف كتلة الشمس)، لا يمكن لأي شكل معروف من المادة الباردة (غير المندمجة) أن يوفر قوة التنافر اللازمة لمقاومة الجاذبية في حالة توازن ديناميكي جديد. وبالتالي، يستمر الانهيار الجذبي دون عائق. ^{[ 18 ]}

عندما ينهار جسم ما إلى داخل نصف قطر شوارزشيلد الخاص به ، فإنه يُشكّل ما يُسمى بالثقب الأسود، أي منطقة في الزمكان لا يستطيع حتى الضوء الإفلات منها. ويترتب على النسبية العامة ونظرية روجر بنروز ^{[ 20 ]} أن التشكّل اللاحق لنوع من التفرد أمر لا مفر منه. ومع ذلك، ووفقًا لفرضية الرقابة الكونية لبنروز ، فإن التفرد سيُحصر داخل أفق الحدث الذي يُحيط بالثقب الأسود، وبالتالي ستظل منطقة الزمكان الخارجية ذات هندسة منتظمة، مع انحناء قوي ولكنه محدود، ومن المتوقع ^{[ 21 ]} أن تتطور نحو شكل بسيط نسبيًا يمكن وصفه بواسطة مقياس شوارزشيلد التاريخي في الحد الكروي، وبواسطة مقياس كير المكتشف حديثًا في حالة وجود الزخم الزاوي. إذا كان للجسم الأولي مجال مغناطيسي، فإنه يتبدد أثناء الانهيار، حيث يُعتقد أن الثقوب السوداء لا تمتلك مجالًا مغناطيسيًا خاصًا بها. ^{[ 22 ]}

من جهة أخرى، لا تزال طبيعة التفرد المتوقع داخل الثقب الأسود موضع جدل. فبحسب النظريات القائمة على ميكانيكا الكم ، يصل الجسم المنهار في مرحلة لاحقة إلى أقصى كثافة طاقة ممكنة لحجم معين من الفضاء، أو ما يُعرف بكثافة بلانك (إذ لا يوجد ما يوقفه). عند هذه النقطة، يُفترض أن قوانين الجاذبية المعروفة تتوقف عن العمل. ^{[ 23 ]} وتوجد نظريات متضاربة حول ما يحدث عند هذه النقطة. فعلى سبيل المثال، تتنبأ نظرية جاذبية الكم الحلقية بتكوّن نجم بلانك . ومع ذلك، يُجادل بأن الانهيار الجذبي يتوقف عند هذه المرحلة، وبالتالي لا يتكوّن تفرد. ^{[ 24 ]}

• كارول، بي دبليو؛ أوستلي، دي إيه (2017). مقدمة في الفيزياء الفلكية الحديثة (  الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج . رقم ISBN 978-1-108-42216-1.