引力坍缩

重力塌縮（英文：Gravitational collapse）是天體物理學上恆星或星際物質在自身物質的重力作用下向內塌陷的過程，產生這種情況的原因是恆星本身不能提供足夠的作用力以平衡自身的重力，從而無法繼續維持原有的流體靜力學平衡，重力使恆星物質彼此拉近而產生塌縮。在天文學中，恆星形成或衰亡的過程都會經歷相應的重力塌縮。特別地，重力塌縮被認為是Ib和Ic型超新星以及II型超新星形成的機制，大質量恆星塌縮成恆星黑洞時的重力塌縮也有可能是伽瑪射線暴的形成機制之一。至今人們對重力塌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。由於在重力塌縮中很有可能伴隨著重力波的釋放，通過對重力塌縮進行計算機數值模擬以預測其釋放的重力波波形是當前重力波天文學界研究的課題之一。

恆星形成中的重力塌縮

恆星形成於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態下以高速隨機運動，彼此間的重力不足以將它們壓縮到一起。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於重力能夠克服這些粒子的運動使它們彼此靠攏。於是星雲開始重力塌縮的過程，並且其速度越來越快，由於角動量守恆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重力凝聚（gravitational condensation）。這些星雲繼續在自身的重力作用下發生塌縮，同時塌縮的能量不斷轉化成星雲的內能，在星雲內部產生向外的輻射壓，這個輻射壓能夠通過平衡向內的重力逐漸減緩並最終停止重力塌縮。當輻射壓與重力彼此平衡時，星雲塌縮為一個具有一定密度的球體，這被稱作原恆星。原恆星的周圍仍然充斥著厚重的星際氣體和塵埃。天文學家已經觀測到部分重力凝聚的過程，但這一過程還沒有得到全面的了解。
一個約大於1/10倍太陽質量的原恆星能夠具有足夠高的溫度和密度發生氫核融合，從而能夠演化為主序星，在主序星階段提供恆星輻射壓的主要來源就是這種氫核融合。而小於這一質量的原恆星只能形成棕矮星或次恆星天體，它們不能進行氫核融合，但有些可以進行氘核融合；更小的原恆星只有成為行星的可能，正如太陽系中的大行星那樣。

恆星衰亡中的重力塌縮

我們主要詳細討論恆星衰亡中的重力塌縮過程，這發生在恆星演化的最後階段。由於支持恆星的輻射壓來自於恆星內部輕元素到重元素的聚變而產生的熱量，當恆星的核燃料消耗殆盡後，恆星的溫度會逐漸冷卻，輻射壓從而逐漸不能平衡恆星自身的重力而產生塌縮，而恆星的半徑會逐漸減小。從物理上研究重力塌縮的基礎是廣義相對論，因此我們考慮如下的恆星模型。

II型超新星的重力塌縮

II型超新星是大質量恆星重力塌縮的結果。儘管相關的理論研究已經長達三十餘年，以及對超新星SN 1987A的觀測取得了相當寶貴的成果，在超新星重力塌縮的理論研究中仍有很多部分和細節完全沒有弄清楚，它們塌縮的細節有可能彼此之間存在很大差異。一般認為質量在9倍太陽質量以上大質量恆星在核融合反應的最後階段會產生鐵元素的內核，其內核的塌縮速度可以達到每秒七萬千米（約合0.23倍光速），這個過程會導致恆星的溫度和密度發生急劇增長。內核的這一能量損失過程終止於向外簡併壓力與向內重力的彼此平衡。在光致蛻變的作用下，γ射線將鐵原子分解為氦原子核並釋放中子，同時吸收能量；而質子和電子則通過電子俘獲過程（不可逆β衰變）合併，產生中子和逃逸的微中子。
在一顆典型的II型超新星中，新生成的中子核的初始溫度可達一千億克耳文，這是太陽核心溫度的6000倍。 如此高的熱量大部分都需要被釋放，以形成一顆穩定的中子星，而這一過程能夠通過進一步的微中子釋放來完成。這些「熱」微中子構成了涵蓋所有味的微中子-反微中子對，並且在數量上是通過電子俘獲形成的微中子的好幾倍。大約10⁴⁶焦耳的重力能量——約占星體剩餘質量的10%——會轉化成持續時間約10秒的微中子暴，這是這場事件的主要產物 。微中子暴會帶走內核的能量並加速塌縮過程，而某些微中子則還有可能被恆星的外層物質吸收，為其後的超新星爆發提供能量
。
內核最終會塌縮為一個直徑約為30千米的球體，而它的密度則與一個原子核的密度相當，其後塌縮會因核子間的強交互作用以及中子簡併壓力突然終止。向內塌縮的物質的運動由於突然被停止，物質會發生一定程度的反彈，由此會激發出向外傳播的震波。計算機模擬的結果指出這種向外擴散的震波並不是導致超新星爆發的直接原因 ；實際上在內核的外層區域由於重元素的解體導致的能量消耗，震波存在的時間只有毫秒量級 。這就需要存在一種尚未了解的過程，能夠使內核的外層區域重新獲得大約10⁴⁴焦耳的能量，從而形成可見的爆發。當前的相關研究主要集中在對於作為這一過程基礎的微中子重新升溫、自旋和磁場效應的組合研究。
當原始恆星的質量低於大約20倍太陽質量（取決於爆炸的強度以及爆炸後回落的物質總量），塌縮後的剩餘產物是一顆中子星；對於高於這個質量的恆星，剩餘質量由於超過奧本海默-沃爾科夫極限，會繼續塌縮為一個黑洞（這種塌縮有可能是伽瑪射線暴的產生原因之一，並且伴隨著大量伽瑪射線的放出在理論上也有可能產生再一次的超新星爆發），理論上出現這種情形的上限大約為40-50倍太陽質量。對於超過50倍太陽質量的恆星，一般認為它們會跳過超新星爆發的過程而直接塌縮為黑洞，不過這個極限由於模型的複雜性計算起來相當困難。但據最近的觀測顯示，質量極高的恆星（～150倍太陽質量）在形成II型超新星時很可能不需要鐵核的存在，而其爆發可能具有另一種完全不同的理論機制。

重力塌縮中的重力輻射

由於超新星的重力塌縮並不是高度對稱的，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重力波源，按照不同情況可分為三類。
在超新星重力塌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於高度不穩定的對流狀態，同時它也是高溫並且是非球對稱的，處於一種「沸騰」的狀態。這種沸騰能夠使中心熾熱的核物質（～10¹²克耳文）上升到中子星的表面，並被表面的微中子流冷卻。理論上這一過程中非對稱的中子星的自轉會產生相當微弱的並具有週期性的重力輻射。據推測，這個過程中可能會產生大概在10個週期上的重力波，頻率在100赫茲左右，強度在的量級（是超新星到地球的距離）。這類事件由於有熾熱的微中子流的存在，可以由微中子探測器與重力波探測器進行相關符合測量。
在超新星的重力塌縮過程中，轉動會使塌縮的內核逐漸變得扁平，從而開始發生重力輻射。如果內核的角動量足夠小以至於離心力不足以使塌縮在內核達到原子核的密度之前就停下，那麼內核的塌縮、反彈以及之後發生的振盪很有可能是軸對稱的。因此這期間會產生一種持續時間很短且無週期性的重力波的突發信號（burst），並伴隨有電子俘獲和微中子輸運的過程。但重力輻射的波形和振幅都很難從理論上預測，現在只有數值模擬的方法。這種突發信號可能頻帶很寬，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週期性啁啾信號。理論上估計如果其發射的能量要大於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內的這類事件。但事實上數值模擬的結果顯示這部分重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，這對於現在的地面重力波探測器LIGO和VIRGO而言將無法探測到本星系群以外的此類事件。
如果在塌縮過程中內核的角動量足夠大以至於它能使塌縮在內核達到原子核的密度之前就停下，則這過程中產生的動態不穩定性有可能破壞內核的軸對稱性。內核有可能形成一種自轉的棒狀結構，並有可能碎裂成更多大質量的碎塊。這個過程所形成的重力波強度有可能可以與雙中子星旋近時的重力波強度相媲美。這種強度的重力波信號可以被現在的LIGO和VIRGO探測至室女座星系團之內（超新星爆發機率為每年幾次），並有可能在下一代探測器中延伸到超新星爆發機率為每年幾萬次的範圍。