基本介紹
引力坍縮（英文：Gravitational collapse）是天體物理學上恒星或星際物質在自身物質的引力作用下向内塌陷的過程，産生這種情況的原因是恒星本身不能提供足夠的壓力以平衡自身的引力，從而無法繼續維持原有的流體靜力學平衡，引力使恒星物質彼此拉近而産生坍縮。在天文學中，恒星形成或衰亡的過程都會經曆相應的引力坍縮。特别地，引力坍縮被認為是Ib和Ic型超新星以及II型超新星形成的機制，大質量恒星坍縮成黑洞時的引力坍縮也有可能是伽瑪射線暴的形成機制之一。至今人們對引力坍縮在理論基礎上還不十分了解，很多細節仍然沒有得到理論上的完善闡釋。由于在引力坍縮中很有可能伴随着引力波的釋放，通過對引力坍縮進行計算機數值模拟以預測其釋放的引力波波形是當前引力波天文學界研究的課題之一。
舉例
比如，質量大于8～10太陽質量的大質量恒星演化到晚期時，其中心區域産能不足或能量被中微子大量帶走，緻使輻射壓不足以抵禦恒星自身引力的作用，從而發生引力坍縮。一般來說，恒星的引力坍縮的結果是形成一顆緻密星，如白矮星、中子星、黑洞等。對于質量小于太陽質量1.3倍的星體，泡利不相容原理引起的電子簡并壓力将支撐其自身的重量，形成白矮星。質量在太陽質量1.3-3.2倍之間的星體，中子簡并壓力将支撐其自身的重量，形成中子星。質量大于太陽質量3.2倍的星體，沒有任何結構可以支撐其自身的重量，它們将坍縮為黑洞。有些引力坍縮還伴有大量的能量釋放和物質的抛射。例如，超新星爆發時，其中心部分會坍縮形成緻密星，而外部則被抛射到空間，形成超新星遺迹，整個過程釋放大量的能量。
在引力坍縮過程中﹐恒星中心部分形成緻密星﹐并可能伴有大量的能量釋放和物質的抛射。
形成
恒星核心區經過氧燃燒的核反應階段之後﹐如果質量大于錢德拉塞卡極限﹐并且由鐵族核素構成時﹐它的等效多方指數γ接近臨界值4/3（見恒星球的平衡及穩定）。這時恒星中心溫度約為6×109K﹐它将發生引力坍縮過程。在這個階段﹐恒星中心溫度很高﹐各類中微子産生過程（例如光生中微子過程，電子對湮沒中微子過程﹑中微子轫緻輻射等）都會引起中微子将中心部分的能量迅速帶走﹐使恒星核心區很快冷卻﹐以緻輻射壓力不足以抵禦自引力的作用﹐從而形成引力坍縮。
恒星形成中
恒星形成于星際間塵埃和氣體構成的巨型星雲，這些星雲中的粒子通常狀态下以高速随機運動，彼此間的引力不足以将它們壓縮到一起。但當外界條件（例如臨近的超新星爆發或者其他激變事件的發生）允許時，這些星雲被足夠強的壓力壓縮以至于引力能夠克服這些粒子的運動使它們彼此靠攏。于是星雲開始引力坍縮的過程，并且其速度越來越快，由于角動量守恒的制約最終從原先龐大的星雲中分離出許多小的但更緻密的星雲，這一過程也經常稱作引力凝聚（gravitational condensation）。這些星雲繼續在自身的引力作用下發生坍縮，同時坍縮的能量不斷轉化成星雲的内能，在星雲内部産生向外的輻射壓，這個輻射壓能夠通過平衡向内的引力逐漸減緩并最終停止引力坍縮。當輻射壓與引力彼此平衡時，星雲坍縮為一個具有一定密度的球體，這被稱作原恒星。原恒星的周圍仍然充斥着厚重的星際氣體和塵埃。天文學家已經觀測到部分引力凝聚的過程，但這一過程還沒有得到全面的了解[1]。
一個約大于1/10倍太陽質量的原恒星能夠具有足夠高的溫度和密度發生氫核聚變，從而能夠演化為主序星，在主序星階段提供恒星輻射壓的主要來源就是這種氫核聚變。而小于這一質量的原恒星隻能形成褐矮星或次恒星天體，它們不能進行氫核聚變，但有些可以進行氘核聚變；更小的原恒星隻有成為行星的可能，正如太陽系中的大行星那樣。
恒星衰亡中
我們主要詳細讨論恒星衰亡中的引力坍縮過程，這發生在恒星演化的最後階段。由于支持恒星的輻射壓來自于恒星内部輕元素到重元素的聚變而産生的熱量，當恒星的核燃料消耗殆盡後，恒星的溫度會逐漸冷卻，輻射壓從而逐漸不能平衡恒星自身的引力而産生坍縮，而恒星的半徑會逐漸減小。從物理上研究引力坍縮的基礎是廣義相對論，因此我們考慮如下的恒星模型。
反應
當恒星中心密度足夠大時﹐在引力坍縮中發生下列反應：e+(Z﹐A)→ve+(Z-1﹐A)。e為電子。(Z﹐A)是質子數為Z﹐核子數為A的原子核﹔ve為電子中微子。這種過程引起物質的中子化。在一定條件下(例如γ≈4/3)﹐引力坍縮過程中将出現強的激波﹐它引起恒星外層物質的抛射。但在有些條件下(如γ>>4/3)﹐坍縮過程并不一定伴有質量抛射。不同質量的恒星﹐在引力坍縮後有可能形成各種不同類型的緻密星。
引力輻射
由于超新星的引力坍縮并不是高度對稱的，這一點已經在對超新星SN 1987A的觀測中得到證實超新星的爆發很有可能是一種重要的引力波源，按照不同情況可分為三類。
在超新星引力坍縮開始後形成中子星的最初期（～0.1秒），這個新生的中子星處于高度不穩定的對流狀态，同時它也是高溫并且是非球對稱的，處于一種“沸騰”的狀态。這種沸騰能夠使中心熾熱的核物質（～1012開爾文）上升到中子星的表面，并被表面的中微子流冷卻。理論上這一過程中非對稱的中子星的自轉會産生相當微弱的并具有周期性的引力輻射。據推測，這個過程中可能會産生大概在10個周期上的引力波，頻率在100赫茲左右，強度在的量級（r是超新星到地球的距離）。這類事件由于有熾熱的中微子流的存在，可以由中微子探測器與引力波探測器進行相關符合測量。
在超新星的引力坍縮過程中，轉動會使坍縮的内核逐漸變得扁平，從而開始發生引力輻射。如果内核的角動量足夠小以至于離心力不足以使坍縮在内核達到原子核的密度之前就停下，那麼内核的坍縮、反彈以及之後發生的振蕩很有可能是軸對稱的。因此這期間會産生一種持續時間很短且無周期性的引力波的突發信号（burst），并伴随有電子俘獲和中微子輸運的過程。但引力輻射的波形和振幅都很難從理論上預測，現在隻有數值模拟的方法。這種突發信号可能頻帶很寬，中心頻率在1千赫茲；或者有可能是在200赫茲到10千赫茲之間任意一個頻率的周期性啁啾信号。理論上估計如果其發射的能量要大于0.01倍太陽質量，現在的地面探測器則有可能觀測到發生在室女座星系團之内的這類事件。但事實上數值模拟的結果顯示這部分引力輻射的能量非常少，一般認為輻射能量不會超過超新星總質量的，相應的強度在的量級之下，這對于現在的地面引力波探測器LIGO和VIRGO而言将無法探測到本星系群以外的此類事件。
如果在坍縮過程中内核的角動量足夠大以至于它能使坍縮在内核達到原子核的密度之前就停下，則這過程中産生的動态不穩定性有可能破壞内核的軸對稱性。内核有可能形成一種自轉的棒狀結構，并有可能碎裂成更多大質量的碎塊。這個過程所形成的引力波強度有可能可以與雙中子星旋近時的引力波強度相媲美。這種強度的引力波信号可以被現在的LIGO和VIRGO探測至室女座星系團之内（超新星爆發幾率為每年幾次），并有可能在下一代探測器中延伸到超新星爆發幾率為每年幾萬次的範圍。
