5. ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ В ШАРОВЫХ СКОПЛЕНИЯХ

5.1. ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ ЗВЕЗДНЫХ СКОПЛЕНИЙ

В разд. 3 мы описывали пути старения и смерти массивных сферических звезд.

Старение звезды характеризуется постепенным сжатием ядра и расширением оболочки. Смерть начинается, по-видимому, с коллапса ядра, ведущего к образованию черной дыры.

Теория предсказывает похожую эволюцию для сферического звездного скопления. В его ядре звезды стремятся эволюционировать к максвелловскому распределению скоростей в результате двухчастичных столкновений звезд, движущихся по гиперболическим орбитам. Однако звезды, лежащие в высокоэнергетическом хвосте этого распределения, ускользают из ядра на слабосвязанные орбиты с большими или вообще ускользают из скопления («испарение»). В результате ядро постепенно теряет энергию и сжимается, и развивается гало из слабо связанных, радиально выходящих на орбиту звезд. В конечном итоге — если игнорировать трехчастичные столкновения и физические лобовые столкновения звезд — ядро становится неустойчивым вследствие общерелятивистских эффектов и коллапсирует, образуя сверхмассивную черную дыру [90, 231]. Учет трехчастичных столкновений и физических столкновений делает картину более сложной и трудной для анализа, но образование сверхмассивной черной дыры является разумной возможностью; см. § VI обзора Лайтмана и Шапиро [114] и имеющиеся там ссылки.

Характерное время заметного сжатия ядра называется «центральным временем релаксации» скопления. Оно численно равно времени, необходимому для того, чтобы за счет двухчастичных столкновений вблизи центра скопления существенно изменялась орбита звезды. Прицельный параметр для одиночного столкновения, меняющего орбиту, определяется соотношением

где — среднеквадратичная скорость в ядре, средняя масса звезды. Здесь, как и в физике плазмы, малоугловые отклонения дают эффект случайных блужданий, который логарифмически больше, чем одиночные столкновения. Следовательно, центральное время релаксации есть

Здесь — центральная звездная плотность (число на кубический парсек), а N - полное число звезд в скоплении. Численные и аналитические исследования показывают, что коллапс ядра скопления происходит примерно за и большинство звезд, более массивных, чем оседают в центре скопления через

Характерные времена больше возраста вселенной для всех типов скоплений, кроме двух: шаровых скоплений и (возможно) центральных ядер некоторых галактик, которые мы рассмотрим соответственно в п. 5.2 и разд. 6.