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重力崩壊とは、天体が自身の重力の影響で収縮する現象であり、重力は物質を重心に向かって内側に引き寄せる傾向がある。[ 1 ]重力崩壊は、宇宙における構造形成の基本的なメカニズムである。時間の経過とともに、初期の比較的滑らかな物質分布は、十分な集積の後、崩壊して星やブラックホールのような高密度のポケットを形成する可能性がある。
星形成は、星間物質が重力によって徐々に収縮し、分子雲や原始星候補の塊へと変化していく過程である。この収縮によって生じる圧縮は温度を上昇させ、星の中心部で熱核融合反応が起こる。この時点で、外向きの熱圧が重力と釣り合うため、収縮は徐々に停止する。こうして星は熱力学的平衡状態となる。星の進化の過程で、星は再び収縮し、いくつかの新たな平衡状態に達する可能性がある。
星間ガス雲は、ガス圧の運動エネルギーが内部重力のポテンシャルエネルギーと釣り合っている限り、静水圧平衡状態を維持します。数学的には、これはビリアル定理を用いて表現され、平衡を維持するためには、重力ポテンシャルエネルギーが内部熱エネルギーの2倍でなければならないことを示しています。[ 2 ]ガスの塊が十分に大きく、ガス圧がそれを支えるのに不十分な場合、雲は重力崩壊を起こします。雲がこのような崩壊を起こす臨界質量は、ジーンズ質量と呼ばれます。この質量は雲の温度と密度に依存しますが、通常は太陽質量の数千倍から数万倍です。[ 3 ]
恒星が燃料を使い果たして死を迎えると、収縮が始まり、新たな平衡状態に達した場合にのみ収縮を止めることができます。恒星の残骸は、その生涯における質量に応じて、次の3つの形態のいずれかをとります。
理論的には、クォークやプレオンなどのエキゾチックな物質の形態で構成されたコンパクトなエキゾチックな星が存在するが、これらの天体は仮説上のものにとどまっている。[ 8 ]
太陽の1～7倍の質量で形成された孤立した恒星の場合、進化の最終段階は白色矮星です。恒星の核が白色矮星に崩壊するまでには数万年かかり、その間に恒星は外層を吹き飛ばして惑星状星雲を形成します。[ 9 ]白色矮星は磁場を持つことがあり、それは元の恒星の磁場の化石の残骸である可能性があります。[ 10 ]重力収縮と残存核燃焼は白色矮星のエネルギー出力にほとんど寄与しないため、放射される光度のほぼすべては蓄積された熱エネルギーに由来します。したがって、数十億年の時間スケールで、白色矮星の温度は低下し続けます。[ 11 ]
伴星が近くに軌道を周回している場合、白色矮星サイズの天体は伴星から物質を降着させ、質量を増やし、場合によっては自転速度を上げることができます。外殻に沿って十分な水素が蓄積されると、爆発して新星を形成する可能性があります。白色矮星は爆発によって破壊されないため、このサイクルは繰り返し発生する可能性があります。[ 12 ]熱核爆発にもかかわらず、蓄積された物質の一部は保持され、白色矮星は質量を増やし続けることができます。
白色矮星の成長における質量の上限はチャンドラセカール限界と呼ばれています。これは太陽の質量の約1.5倍で、この値に達すると重力崩壊が再び始まります。この限界に達する前に、炭素-酸素白色矮星内部の密度と温度の上昇により新たな核融合反応が始まりますが、星の重量は熱圧ではなく縮退によって支えられているため、核融合反応は制御されず、温度は指数関数的に上昇します。その結果生じる暴走炭素爆発によって星は完全に吹き飛び、Ia型超新星となります。[ 13 ]
別のシナリオとしては、近接連星系における2つの白色矮星の合体、いわゆる二重縮退モデルがある。合体質量がチャンドラセカール限界を超えると、Ia型超新星が発生する。[ 13 ]
中性子星は、大質量星の核が重力崩壊することによって形成されます。これらは、Ib型、Ic型、II型の超新星の残骸です。[ 14 ]中性子星は、厚さが1ミリメートル程度の通常の物質の表層または「大気」を持つと予想されており、その下は、中性子物質と呼ばれる密に詰まった中性子でほぼ完全に構成され、わずかに自由電子と陽子が混ざっています。 [ 15 ]この縮退した中性子物質の密度は約6.65 × 10 17 kg/m 3。[ 16 ]
エキゾチックな物質で構成された星の外観や内部の層状構造は、縮退物質の状態方程式の提案が非常に憶測に基づいているため、不明である。[ 17 ]他の形態の仮説上の縮退物質も可能であり、結果として生じるクォーク星、ストレンジ星（クォーク星の一種）、プレオン星が存在する場合、それらはほとんどの場合、中性子星と区別がつかないだろう。ほとんどの場合、エキゾチックな物質は「通常の」縮退中性子の地殻の下に隠されているだろう。
アインシュタインの理論によれば、トルマン・オッペンハイマー・ヴォルコフ限界（太陽の質量の約2倍）を超える質量を持つ物体の場合、既知の冷たい（非核融合）物質では、新たな動的平衡において重力に抵抗するために必要な反発力を提供することはできません。したがって、重力崩壊は妨げられることなく継続します。[ 18 ]
物体がシュワルツシルト半径内に崩壊すると、ブラックホールと呼ばれるものが形成されます。これは、光さえも脱出できない時空領域を意味します。一般相対性理論とロジャー・ペンローズの定理[ 20 ]によれば、何らかの特異点の形成は必然です。しかしながら、ペンローズの宇宙検閲仮説によれば、特異点はブラックホールを囲む事象の地平線内に閉じ込められるため、その外側の時空領域は依然として、強いが有限の曲率を持つ良好な幾何学を持ち、球面極限では歴史的なシュワルツシルト計量によって、角運動量が存在する場合には最近発見されたカー計量によって記述できる比較的単純な形へと進化すると予想されます[ 21 ]。前駆天体に磁場がある場合、ブラックホールは独自の磁場を持たないと考えられているため、崩壊中に磁場は消滅します[ 22 ] 。
一方、ブラックホール内部にどのような特異点が存在するのかについては、依然として議論の余地がある。量子力学に基づく理論によれば、崩壊する物体は、ある空間体積における最大エネルギー密度、すなわちプランク密度に達する（それを止めるものは何もないため）。この時点で、既知の重力法則はもはや有効ではなくなると仮説が立てられている。[ 23 ]この時点で何が起こるかについては、競合する理論が存在する。例えば、ループ量子重力理論では、プランク星が形成されると予測されている。いずれにせよ、その段階で重力崩壊は停止し、したがって特異点は形成されないと主張されている。[ 24 ]
より大きな質量を持つ中性子星（約2.8太陽質量）[ 25 ] の半径は約12km 、つまりシュヴァルツシルト半径の約2倍 と推定されている。
十分な質量を持つ中性子星は、シュワルツシルト半径 (1.0 SR) 内に存在し、中心の特異点にすべての質量が圧縮されることなくブラックホールのように見える可能性があると考えられますが、これはおそらく誤りです。事象の地平線内では、物質は安定性を保ち、中心への崩壊を避けるために光速よりも速く外側へ移動する必要があります。したがって、1.0 SR より小さい星が特異点に崩壊するのを防ぐ物理的な力はありません (少なくとも現在受け入れられている一般相対性理論の枠組み内では。これはアインシュタイン-ヤン-ミルズ-ディラック系には当てはまりません)。物質と重力波の放出を伴う一般相対性理論における非球形崩壊のモデルが提示されています。[ 26 ]