WinNavigator

Frigate

Norton Commander

WinNC

Dos Navigator

Servant Salamander

Turbo Browser

Winamp, Skins, Plugins

Необходимые Утилиты

Текстовые редакторы

Юмор

File managers and best utilites

Реферат: Чёрные дыры. Черные дыры реферат по астрономии

Реферат - Черные дыры - Астрономия

Изложены новейшие данные поопределению масс черных дыр в рентгеновских двойных звездных системах. Кнастоящему времени известно 10 рентгеновских двойных систем, содержащихмассивные (с массой более трехсолнечных)рентгеновские источники — кандидаты в черные дыры. Замечательно, что ни уодного из них не наблюдается феноменов рентгеновского пульсара илирентгеновского барстера I типа.

Как известно, черной дыройназывается область пространства-времени, в которой гравитационное поленастолько сильно, что даже свет не может покинуть эту область. Это происходит,если размеры тела меньше его гравитационного радиуса где G — постояннаятяготения, c — скорость света, М — масса тела.Гравитационный радиус Солнца 3 км, Земли — около 9 мм.

Общая теория относительности А.Эйнштейна предсказывает удивительные свойства черных дыр, из которых важнейшее- наличие у черной дыры горизонта событий. Для невращающейся черной дыры радиус горизонта событийсовпадает с гравитационным радиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдателяход времени останавливается. Космический корабль, посланный к черной дыре, сточки зрения далекого наблюдателя, никогда не пересечет горизонт событий, абудет непрерывно замедляться по мере приближения к нему. Все, что происходитпод горизонтом событий, внутри черной дыры, внешний наблюдатель не видит.Космонавт в своем корабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий,но передать какую-либо информацию внешнему наблюдателю он не сможет. При этомкосмонавт, свободно падающий под горизонтом событий, вероятно, увидит другую Вселенную,и даже свое будущее. Связано это с тем, что внутри черной дыры пространственнаяи временная координаты меняются местами и путешествие в пространстве здесьзаменяется путешествием во времени.

Еще более необычны свойствавращающихся черных дыр. У них горизонт событий имеет меньший радиус, и погруженон внутрь эргосферы — области пространства-времени, вкоторой тела должны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационнымполем вращающейся черной дыры.

Столь необычные свойства черных дырмногим кажутся просто фантастическими, поэтому существование черных дыр вприроде часто ставится под сомнение. Однако, забегая вперед, отметим, что,согласно новейшим наблюдательным данным, черные дыры действительно существуют иим присущи удивительные свойства.

КАКОБРАЗУЮТСЯ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Известно, что если масса ядразвезды, претерпевшего изменения химического состава из-за термоядерных реакцийи состоящего в основном из элементов группы железа, превышает 1,4 солнечноймассы M, но не превосходит трех солнечных масс, то в конце ядерной эволюциизвезды происходит коллапс (быстрое сжатие) ядра, в результате которого внешняяоболочка звезды, не затронутая термоядерными превращениями, сбрасывается, чтоприводит к явлению вспышки сверхновой звезды. Это приводит к формированиюнейтронной звезды, в которой силам гравитационного притяжения противодействуетградиент давления вырожденного нейтронного вещества. Огромные силы давлениявырожденного нейтронного вещества обусловлены тем, что нейтроны обладаютполуцелым спином и подчиняются принципу Паули, согласно которому в данномэнергетическом состоянии может находиться только один нейтрон.

При сжатии ядра звезды на позднейстадии эволюции температура поднимается до гигантских значений — порядкамиллиарда кельвинов, поэтому ядра атомов разваливаются на протоны и нейтроны.Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны и испускают нейтрино.Нейтроны же, согласно квантовомеханическому принципу Паули, запрещающему имнаходиться в одинаковых состояниях, начинают при сильном сжатии эффективноотталкиваться друг от друга. В случае массы коллапсирующего ядра звезды меньше3M скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества,обусловленная в основном эффективным отталкиванием нейтронов, можетуравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивых нейтронныхзвезд. В случае массивных ядер звезд (m > 3M)скорости нейтронов велики, силы отталкивания между ними не могут уравновеситьсилы гравитации. В этом случае образующаяся нейтронная звезда, остываяколлапсирует, согласно существующим представлениям, в черную дыру. Посколькупри образовании нейтронной звезды радиус звезды уменьшается от 106 до 10 км, изусловия сохранения магнитного потока следует, что магнитное поле нейтроннойзвезды радиусом 10 км может достигать очень большой величины — порядка 1012 Гс. Радиус нейтронной звезды порядка 10 км, плотностьвещества достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре.

Хорошо известные радиопульсары ирентгеновские пульсары как раз и представляют собой нейтронные звезды, причемчисло известных радиопульсаров достигает 700. Радиопульсары наблюдаются какисточники строго периодических импульсов радиоизлучения, что связано спереработкой энергии быстрого вращения звезды в направленное радиоизлучениечерез посредство сильного магнитного поля. Рентгеновские пульсары светят засчет аккреции вещества в тесных двойных звездных системах: сильное магнитноеполе нейтронной звезды направляет плазму на магнитные полюсы, где она сталкиваетсяс поверхностью нейтронной звезды и разогревается в ударной волне до температурв десятки и сотни миллионов градусов. Это приводит к излучению рентгеновскихквантов. Поскольку ось магнитного диполя не совпадает с осью вращениянейтронной звезды, рентгеновские пятна (их называют аккреционными колонками)при вращении нейтронной звезды то видны для земного наблюдателя, тоэкранируются телом нейтронной звезды, что приводит к эффекту маяка и феноменурентгеновского пульсара — строго периодической переменности рентгеновскогоизлучения на временах от долей секунды до тысяч секунд. Периодические пульсациирадио- или рентгеновского излучения говорят о том, что у нейтронной звезды естьсильное магнитное поле (~ 1012 Гс), твердаяповерхность и быстрое вращение (периоды радиопульсаров достигают миллисекундвремени). У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать неприходится, поскольку, согласно предсказанию общей теории относительности (ОТО)Эйнштейна, описывающей сильные гравитационные поля, черная дыра не имеет нитвердой поверхности, ни сильного магнитного поля.

Для звезд, массы железных ядеркоторых в конце эволюции превышают три солнечных, ОТО предсказываетнеограниченное сжатие ядра (релятивистский коллапс) с образованием черной дыры.Это объясняется тем, что силы гравитации, стремящиеся сжать звезду,определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества,достигаемых при сжатии ядра звезды (порядка миллиарда тонн в кубическомсантиметре), главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоячастиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что давлениевещества при больших плотностях как бы само «весит»: чем большедавление, тем больше плотность энергии и, следовательно, силы гравитации,стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях,согласно ОТО, становятся принципиально важными эффекты искривленияпространства-времени, что также способствует неограниченному сжатию ядразвезды.

Черные дыры с очень большими массами(до миллиардов солнечных масс), по-видимому, существуют в ядрах галактик, и впоследние годы в наблюдательном исследовании сверхмассивных черных дырнаметился существенный прогресс в связи с использованием космического телескопаим. Хаббла и применения методов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами.Кроме того, теория предсказывает возможность существования первичных черныхдыр, образовавшихся в момент образования Вселенной. Мы ограничимсярассмотрением лишь черных дыр звездной массы, образовавшихся на конечных этапахэволюции массивных (с массами в десятки солнечных) звезд.

МЕТОДЫОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС ЧЕРНЫХ ДЫР

Известно, что массу звезды можноизмерить, если она входит в двойную систему. Наблюдая движение звезд — компонент двойной системы и применяя законы Кеплера, вытекающие из законатяготения Ньютона, можно измерить массы звезд. При этом, поскольку размерыорбиты двойной системы в миллионы раз больше гравитационных радиусов компонент,для определения масс звезд, в том числе и масс нейтронных звезд и черных дыр вдвойных системах, вполне достаточно использования закона тяготения Ньютона. Мыне рассматриваем здесь случай двойных радиопульсаров, где громадная точностьопределения моментов прихода радиоимпульсов позволяет наблюдать релятивистскиеэффекты (обусловленные ОТО) в движении пульсара, и по ним определять с высокойточностью массы пульсаров, и даже наблюдать вековое укорочение орбитальногопериода двойной системы, обусловленное излучением потока гравитационных волн.

Оптическая звезда в двойной системеявляется не только пробным телом в гравитационном поле черной дыры, позволяющимизмерить ее массу, но также своеобразным донором, поставляющим вещество насоседний релятивистский объект (нейтронную звезду или черную дыру). Аккрецияэтого вещества на релятивистский объект приводит к разогреву плазмы дотемператур в десятки и сотни миллионов градусов и к появлению мощногорентгеновского источника. Теоретическое предсказание мощного энерговыделенияпри несферической аккреции вещества на черную дыру было сделано в 1964 году Я.Б.Зельдовичем и Е.Е. Салпитером. Теория дисковой аккреции вещества нарелятивистский объект в тесной двойной звездной системе развита в начале 70-хгодов в работах Н.И. Шакуры и Р.А. Сюняева, Дж. Прингла и М. Риса, И.Д.Новикова и К.С. Торна.

НОВЕЙШИЕДАННЫЕ

<img src="/cache/referats/17049/image001.jpg" align=«left» v:shapes="_x0000_s1026">Обнаружена одна из ближайших к Солнечнойсистеме черных дыр, которая образовалась в результате старения и последующейгибели звезды класса голубой гигант. И впервые довольно точно удалось вычислитьее орбиту обращения вокруг нашей Галактики – Млечный Путь.

Черная дыра была обнаруженаблагодаря тому, что “пожирала” вещество соседки – более малой звезды.

Открытие было сделано в результатенаблюдений радиотелескопов Национального Научного общества (VLBA), объединенныхв систему радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой вместе со спутникамиприема рентгеновского излучения Rossi.

Доказательством подтвержденияоткрытия послужили оптические снимки, сделанные на ПаломарскойОбсерватории (POSS). Это впервые, когда орбитальное движение черной дыры былоизмерено.

Результаты исследований былисообщены 13 сентября 2001 года в выпуске журнала “Природа”.

Объект называется XTE J1118+480 ибыл обнаружен спутником Rossi X- 29 марта 2000 года.Более поздние наблюдения в оптическом и радиодиапазоне показали, что чернаядыра отстоит на 6,000 световых лет от Земли и представляет собой бинарнуюсистему, в которой она засасывает звездный газ из соседней звезды, формируягорячий вращающийся диск, напоминающий воронку водоворота в море. Этот процесссопровождается выбросом субатомных частиц, которые испускают радиоволны.

Большинство звезд в нашей Галактике- Млечный Путь, находятся в пределах галактической плоскости. Однако, такжеимеются шаровые звездные скопления, которые содержат сотни тысяч самых старыхзвезд в Галактике, и которые находятся вне плоскости Галактики. XTE J1118+480подобно таким шаровым скоплениям, перемещающимся со скоростью 145 километров всекунду относительно Земли, совершает замысловатые петли вокруг Галактики. Этачерная дыра образовалась в результате смерти массивной звезды, которая поклассу была на уровне голубого гиганта. Такие звезды, когда полностьювыработают свой ресурс, либо взрываются как новые звезды, оставляя после себяядро оболочки в виде нейтронной звезды, либо заканчивают путь “гравитационным хлопком”сжатия, образуя черную дыру.

Эта черная дыра имеет массу, большесолнечной в 7 раз. Чтобы разогнаться до существующей скорости, ей потребовалсятолчок ускорения, который могла дать только гравитационная сила общей массышарового звездного скопления, из которого она когда-то и была выброшена.

<img src="/cache/referats/17049/image002.jpg" align=«right» v:shapes="_x0000_s1031">Расположенная неподалеку от Млечного Путигалактика Centeurus A имеет в своем центре массивнуючерную дыру. Это удалось установить международной команде астрономов из ЮжнойЕвропейской Обсерватории, проводивших наблюдения с помощью телескопа VLT (Very Large Telescope)в Чили. Измерения позволили определить массу черной дыры — около 200 миллионовмасс Солнца. Галактика Centaurus A, известная такжекак NGC 5128, удалена от Земли на 11 миллионов световых лет. Это один из самыхизученных объектов Вселенной. Как галактика она была каталогизирована в 1847году британским астроном Джоном Гершелем (John Herschel) и уже полтора века изучается с использованиемвсего набора астрономических инструментов. О том, что в центре галактикинаходится черная дыра, подозревали давно, но никто не думал, что она настолькомассивна.

<img src="/cache/referats/17049/image004.jpg" align=«left» v:shapes="_x0000_s1032">Дж.Моран

(J.Moran;Астрофизический центр в Кембридже, штат Массачусетс, США) утверждает, что емуудалось обнаружить сверхмассивную черную дыру в центре весьма удаленной от насспиральной галактики NGC 4258, по результатам изучения мощного мазерного излучения, создаваемом молекулами воды газовыхоблаков, которые подвергаются воздействию интенсивной радиации.

Сопоставляя скорость движениякосмических облаков с их расположением, Моранустановил, что они обращаются вокруг некоего центрального объекта, подобнопланетам вокруг Солнца. По значениям скоростей удалось вычислить массупритягивающего центра: она оказалась близкой к 36 млнМ*! Причем вся эта гигантская масса сосредоточена в области, поперечник которойменее 1 светового года. Такими характеристиками может обладать только чернаядыра.

Источники мазерногоизлучения находятся на окружающей галактику NGC 4258 внешней периферии диска(или сферы — на этот счет среди астрофизиков нет единого мнения). Однако настоль значительных расстояниях, как в данном случае, наиболее вероятна, пообщему мнению, форма диска. Мазеры располагаются там по S-образной кривой;такой изгиб, считает Моран, вызван давлениемрентгеновского излучения от скопления сверхраскаленногогаза, находящегося в центре данной системы.

Изучение движения мощных мазеровпоможет, по мнению Моргана, поиску свермассивныхчерных дыр. Ближайшим кандидатом он считает галактику NGC 1068, в которой, судяпо наблюдаемым скоростям мазеров, может находиться черная дыра с массой,превышающей солнечную в 10 млн раз.

Чтовнутри у черной дыры

Чернойдырой называется область пространства-времени, ограниченная горизонтом, то естьповерхностью, которую даже свет не может покинуть вследствие действиягравитационных сил. Точка зрения теории относительности (ОТО) на черные дыры (иих внутреннюю структуру) состоит в следующем. Мы (по определению) не можемполучить никакой информации из черной дыры, поэтому она для нас именно ЧЕРНАЯ,то есть в рамках этого подхода вопрос о внутренней структуре черной дыры неявляется полностью корректным, т.к. мы не можем произвести соответствующиеизмерения, а можем лишь предполагать что-то, не получая непосредственнойинформацию оттуда.

Черная дыра (как идея) первоначально появилась в 18 веке благодаря работам Митчеллаи Лапласа как предсказание в ньютоновской теории.Затем уже — как математическое решение ОТО. Для наиболее простой оценки радиусагоризонта черной дыры (как у Митчелла и Лапласа) достаточно лишь положитьвторую космическую скорость равной скорости света. Для случае вращающихся изаряженных черных дыр решения получаются уже только в рамках ОТО.

Существуют или нет черные дыры во Вселенной, или, все-таки, это лишь наша играума и математики — вопрос пока остается открытым. Сейчас есть более 10кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах и несколько десятковкандидатов в сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик (в том числе и нашей).Однако, это лишь кандидаты, хотя и очень хорошие, и Нобелевская премия заоткрытие черных дыр пока никому не вручена. Но, оставив вопрос о физическомобосновании, никто не запрещает продлить решение внутрь черной дыры.Оказывается, что решение гладко продолжается под горизонт и заканчивается вточке, в которой одна из важнейших характеристик пространства — кривизна — становится равной бесконечности (как говорят «расходится»). Такое поведениеи называется сингулярностью, то есть областью, в которой не работает не толькофизика, но и математика.

Вкакой-то мере исследование сингулярностей можносчитать физичным и в рамках ОТО, особенно в светенедавних результатов о конечной стадии гравитационного коллапса. Дело в том,что несколько десятилетий назад была сформулирована «гипотеза космическойцензуры», которая утверждает, что в обыкновенной Вселенной сингулярностьможет существовать, лишь закрытая от нас горизонтом, то есть в виде чернойдыры. Так вот, недавно в ходе численного анализа разных сценариевгравитационного коллапса было установлено, что при определенных начальныхусловиях (вполне физических, надо отметить) процесс гравитационного коллапсаможет закончится возникновением «голой» сингулярности. В рамках ОТОаналитического ответа на этот вопрос пока нет.

У ОТО есть один очень большой недостаток — она не поддается процедуреквантования, в отличии от теорий остальных физических взаимодействий(электромагнитного, слабого и сильного). Поэтому создаются так называемыетеории суперобъединения, в которые входит не самаОТО, а какой-либо (еще до конца не ясно, какой) вариант эффективной теориигравитации, включающий ОТО. С точки зрения идей квантовой механики, лежащей воснове объединения взаимодействий, вопрос о внутренней структуре вполнеправомерен, потому что все пространство должно описываться однойхарактеристикой — волновой функцией. В рамках этого нового подхода были открыты(в математическом плане, конечно) новые типы сингулярностей,которых нет в ОТО. Можно выделить характеристики сингулярности, например, поскорости, с которой кривизна расходится. В какой-то мере и горизонт событийчерной дыры можно считать сингулярностью, но не истинной, потому что кривизна вэтом случае конечна (расходится лишь один коэффициент), более того, этусингулярность можно убрать после соответствующего преобразования координат.

Черные дыры сливаются

<img src="/cache/referats/17049/image006.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1028"> Ученые открыли, что в одной галактике вполнемогут сосуществовать две сверхмассивные черные дыры, которые в конечном итогеобязательно сольются в одну. Это событие будет сопровождаться такими выбросамиэнергии, что звезды будут вытеснены из центра галактики, где будет бушеватьрадиоактивное и гравитационное цунами. Ученые давно знали, что в галактике NGC 6240существует два ярких пятна, что зовутся ядрами. Поскольку центр галактикизакрыт от обзора пылью, ученые направили в ту сторону телескоп Чандра, внадежде определить, является ли любое из этих ядер активной сверхмассивнойчерной дырой. Каково же было их удивление, когда они поняли, что оба объектаявляются активными черными дырами.

Странствующая пара: черная дыра и ее звезда (слева — путь через Млечный путь).

Эта галактиканаходится от нас на расстоянии около 400 световых лет — довольно близко покосмическим масштабам и образовалась она в результате столкновения двухгалактик, которое началось 30 миллионов лет назад. Астрономы считают, чтослияние галактик на самом деле происходит очень мирно. Поскольку звездырасположены очень редко, они почти не «ощущают» происходящего. Сейчаспока центры сталкивающихся галактик только слегка гравитационновзаимодействуют. Но постепенно расстояние, равное сейчас 3 тысячам световыхлет, будет уменьшаться. И тогда они неизбежно начнут взаимодействовать. Звезды,что вращаются вокруг центров, ускорят свое движение и вылетят из центрагалактики. Когда черные дыры приблизятся на расстояние около одного световогогода, они начнут сливаться. Тогда газ, вращающийся вокруг черных дырразогреется до таких температур, что начнет излучать радиоактивные волны. Вконце концов поле радиоактивности уничтожит все объекты, находящиеся вокругядер, что даст возможность обозревать ядро. Ни одна звезда не уцелеет в полевлияния более массивной черной дыры после того, как они сольются. Ученые также построили компьютерную версию того,что происходит сейчас в галактике NGC 362. До этого астрономы никогда не виделидвойных черных дыр. Это наводило их на мысли, что такого явления, как двойнаячерная дыра не бывает, что черные дыры сливаются в одну. Недавно они получилидоказательство этого: джеты, испускаемые чернымидырами в объекте, известном под номером NGC 362, сместились. Это говорит о том,что черные дыры в сталкивающихся галактиках «почувствовали»существование друг друга.

Списокиспользованной литературы:

1. Новиков И.Д. Черные дыры иВселенная. М.: Мол. гвардия, 1985.

2. ЛипуновВ.М. В мире двойных звезд. М.: Квант, 1986.

3. ЧерепащукА.М. Массивные тесные двойные системы. Земля и Вселенная. 1985. № 1.

С. 16-24.

4. Лютый В.М., ЧерепащукА.М. Оптические исследования рентгеновских двойных систем // Там же. 1986. № 5.С. 18-25.

5. ЧерепащукА.М. Черные дыры: новые данные // Там же. 1992. № 3. С. 23-30.

6. Гинзбург В.Л. О физике иастрофизике. М.: Бюро "Квантум", 1995. 106с.

Научно-практическаяконференция школьников

«Старт в науку»

секция «Физика»

Тема: «Черные дыры»

Выполнил: ФликовВладимир,

ученик 11 класса

СПОШ №10

Научный руководитель: ВивдичФедор

Моисеевич,

руководитель секции

«Физика»

НОУ«Эрудит»

г. Благовещенск

2004 г.

www.ronl.ru

Реферат - Чёрные дыры - Астрономия

Содержание

Введение… 2

Внешнее строение черной дыры… 2

Временные туннели?.. 3

Эргосфера… 3

Метаморфозы чёрных дыр… 4

Найдена ли уже чёрная дыра?.. 6

Может XTE J1118+480 и есть та самая чёрная дыра?.. 7

Гипотеза Лапласа… 9

Работы Хоукинга… 9

Заключение… 10

Использованная литература:… 11

/>Введение

Черные дыры – объектывселенной, которые привлекают интерес многихучёных-астрономов. Чёрные дыры, космические объекты, существование которыхпредсказывает общая теория относительности. Образуются при неограниченномгравитационном коллапсе массивных космических тел (в частности, звезд смассами 40-60 MQ). Коллапс гравитационный- катастрофическибыстрое сжатие звезды под действием сил тяготения (гравитации).

/>Внешнее строение чернойдыры

Черная дыра обладаетвнешним гравитационным полем, свойства которого определяются массой, моментомвращения и, возможно, электрическим зарядом, если коллапсирующая звезда былаэлектрически заряжена. На больших расстояниях поле чёрной дыры практически неотличается от полей тяготения обычных звёзд, и движение других тел,взаимодействующих с чёрной дырой на большом расстоянии, подчиняется законаммеханики Ньютона. Гравитационное поле настолько сильно, что абсолютно не можетиспускать свет, поэтому они кажутся чёрными.

Катастрофическаягравитация сжатием (коллапсом) может заканчиваться, в частности, эволюциязвёзд, масса которых к моменту сжатия превышает критическую величину. Значениекритической массы точно не определено и в зависимости от принятого уравнениясостояния вещества меняется от 1,5MQ до 3MQ (где MQ- масса Солнца).

Если после потериустойчивости в звезде не происходит освобождения энергии, достаточной дляостановки сжатия или для взрыва, при котором оставшаяся после взрыва массастала бы меньше критической, то центральные части звезды коллапсируют и закороткое время достигают гравитационного радиусаrg.Никакие силы не могут воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды, если еёрадиус уменьшится до rg (до радиуса сферы Шварцшильда).Основное свойство сферы Шварцшильда состоит в том, что никакие сигналы,испускаемые с поверхности звезды, достигшей этой сферы, не могут выйти наружу. Таким образом, в результатегравитационного сжатия массивных звёзд появляется областьпространства-времени, из которой не может выйти никакая информация о физическихпроцессах, происходящих внутри неё.

/>Временные туннели?

Известны трудности,связанные с межзвездными перелетами. В ряде теоретических работ показанавозможность существования туннелей, соединяющих любые отдаленные областиМетагалактики или различные мини-вселенные в Большой Вселенной. Система издвух туннелей, обеспечивающая движение вещества и излучения в любом направлении,для внешнего наблюдателя будет весьма сходной сдвойной системой, состоящей из черной и белой дыры.

Через аналог черной дырывозможен проход из одной части нашей Вселенной в другую ее часть или в другуювселенную. Через аналог белой дыры возможен доступ к нам. Идея применениятопологических туннелей использована в романе известного американскогоастрофизика К. Сагана «Контакт».

/>Эргосфера

Как показывают расчёты, увращающейся чёрной дыры вне её поверхности должна существовать область,ограниченная поверхностью статического предела, то есть эргосфера. Силапритяжения со стороны чёрной дыры, действующая на неподвижное тело, помещенноев эргосферу, обращается в бесконечность. Однако эта сила конечна. Любыечастицы, оказавшиеся в эргосфере, будут вращаться вокруг чёрной дыры. Наличиеэргосферы может привести к потере энергии вращающейся чёрной дыры. Этовозможно, в частности, в том случае, если некоторое тело, влетев в эргосферу,распадается (например, в результате взрыва) около поверхности чёрной дыры, надве части, причём одна из них продолжает падение на чёрную дыру, а втораявылетает из эргосферы. Параметры взрыва могут быть такими, что энергиявылетевшей из эргосферы части больше энергии былого тела. Дополнительнаяэнергия при этом черпается из энергии вращения чёрной дыры. С уменьшениеммомента её вращения поверхность статического предела сливается с поверхностьючёрной дыры и эргосфера исчезает. Быстрое вращение коллапсирующего телапрепятствует образованию чёрной дыры вследствие действия сил вращения. Поэтомучёрная дыра не может иметь момент вращения больший некоторого экстремальногозначения.

/>Метаморфозы чёрных дыр

Как показывают квантовомеханические расчёты, в сильном гравитационном поле чёрных дыр могут рождатьсячастицы — фотоны, нейтрино, гравитоны, электрон-позитронные пары и др.; врезультате она излучает как чёрное тело с эффективнойтемпературой даже тогда, когда никакое вещество на неё непадает. Энергия этого излучения черпается из энергии гравитационного полячёрной дыры, что со временем приводит к уменьшению её массы. Однако из-занизкой эффективности процессы квантового излучения несущественны для массивныхчёрных дыр, возникающих в результате коллапса звёзд. На ранних (горячих исверхплотных) этапах развития Вселенной в ней из-за неоднородного распределениявещества могли образоваться чёрные дыры с различной массой — от 10¾5г до массы Солнца и больше. В отличие от чёрных дыр — сколлапсировавшихзвёзд, эти чёрные дыры получили название первичных.

Процессы квантовогоизлучения уменьшают массу чёрной дыры, и к настоящему времени все первичныечёрные дыры с массой меньше 1015г должны были«испариться». Интенсивность и эффективная температура излучениячёрной дыры увеличиваются с уменьшением её массы, поэтому на последней стадии(для массы порядка 3.109г) «испарение»чёрной дыры представляет собой взрыв с выделением 1030эрг за0,1 сек. Первичные чёрные дыры, массой большей, чем 1015гостались практически неизменными. Обнаружение первичных чёрных дыр по ихизлучению позволило бы сделать важные выводы о физических процессах,протекавших на ранних стадиях эволюции Вселенной.

Поиски чёрных дыр воВселенной представляют собой одну из актуальных задач современной астрономии.Предполагается, что чёрные дыры могут быть невидимыми компонентами некоторыхдвойных звёздных систем. Однако этот вывод не достоверен, т.к. одна из звёзддвойной системы, будучи нормальной звездой, может оказаться невидимой на фонеболее сильного свечения второй компоненты. Другой нахождения чёрной дыры вдвойных системах основывается на изучении свечения вещества, которое перетекаетк ней с соседней (обычной) звезды. Вблизи чёрной дыры из перетекающего веществаобразуется диск, его слои движутся вокруг чёрной дыры с различными скоростями.

/> /> Из-за трения между соседнимислоями вещество в диске нагревается до десятков миллионов градусов, ивнутренние области диска излучают энергию в рентгеновском диапазонеэлектромагнитного спектра (Излучение черных дыр неможет покинуть черные дыры — оно “заперто” гравитацией). Аналогичноеизлучение будет рождаться и в том случае, если на месте чёрной дыры в двойнойсистеме будет находиться нейтронная звезда, но последняя не может иметь массубольше некоторого предельного значения. В результате космических исследованийоткрыто большое число источников рентгеновского излучения в двойных звёздныхсистемах. Черные дыры можно обнаружить лишь покосвенным данным. />Найдена ли уже чёрнаядыра?

Ученые твердоверят в то, что черные дыры действительно существуют. Общая теорияотносительности Альберта Эйнштейна предсказывала возможность существованияподобных объектов еще в 1917 году, а за последние десятилетия астрономыобнаружили множество свидетельств их присутствия во многих областяхкосмического пространства.

Известноболее 5 объектов, в состав которых, вероятно, входят черные дыры. Тем не менее, есть только косвенныеподтверждения, но нет неопровержимых доказательств. Наиболее вероятнымкандидатом в чёрные дыры является рентгеновский источник Лебедь Х-1, обнаруженныйв начале 1970-х годов в Х-бирнарных системах. Масса источника в этой системе,которую можно оценить из наблюдаемой скорости движения оптической звезды поорбите и законов Кеплера, превышает предельное значение массы для нейтроннойзвезды.

Рентгеновское изображение галактик “Антенны”, полученное “Чандрой”. © NASA/SAO/CXC/G. Fabbiano et al.

Рентгеновскаяобсерватория “Чандра” обнаружила в нескольких галактиках с высоким темпомзвездообразования места расположения возможных черных дыр со средней массой.

/>Может XTE J1118+480 иесть та самая чёрная дыра?

Данные из Цифровогообзора неба DSS, созданного Институтом Космического телескопа, сыграли важнуюроль в открытии древней черной дыры, движущейся через галактические окрестностиСолнца. Эта черная дыра в паре с небольшой звездой-компаньоном, чье веществоона поглощает, движется по вытянутой орбите, пересекая дальние области МлечногоПути. Ученые предполагают, что черная дыра является остатком массивной звезды,завершившей свое существование миллиарды лет назад и благодаря гравитационнымэффектам выброшенная из родного звездного скопления.

Исследовавшийся объектносит обозначение XTE J1118+480, он был обнаружен при наблюдениях нарентгеновском спутнике “Росси-ХТЕ” 29 марта 2000 года. Позднее оптические ирадионаблюдения позволили определить, что расстояние до него составляет 6000световых лет.

Как известно, большинствозвезд Млечного Пути находятся в тонком галактическом диске. Однако некотораячасть звезд содержится в шаровых скоплениях, состоящих из сотен тысяч старыхзвезд и движущихся по орбитам, выходящим за пределы галактической плоскости.Орбита XTE J1118+480 похожа на орбиты шаровых скоплений, а скорость, с которойпроисходит движение, составляет 145 км/с относительно Солнца.

Звезда, ставшая родителемчерной дыры в XTE J1118+480, возможно, сформировалась в шаровом скоплении ещедо того, как появился диск Галактики. На большой возраст черной дыры указываети то, что звезда-компаньон, вещество которой дыра поглощает, потеряла почти всюсвою массу, которая теперь составляет не более трети массы Солнца. Ученыеполагают, что захват звезды-компаньона произошел еще до выброса черной дыры изскопления.

Относительная близость кСолнцу позволила астрономам при помощи сети радиотелескопов VLBA определитьпараметры движения черной дыры. Наблюдения на VLBA проводились в мае и июле2001 года, при этом в полную силу использовалась высочайшая разрешающаяспособность сети для обнаружения смещения объекта относительно более удаленныхнебесных тел.

Хотя несколько“среднемассивных” черных дыр было обнаружено ранее, теперь появиласьвозможность наблюдать большое количество подобных объектов и выяснить их связьс формированием звезд и образованием гораздо более массивных черных дыр. Наконференции Американского астрономического общества три независимых группысообщили о десятках рентгеновских источников, обнаруженных в галактиках свысоким темпом звездообразования. Эти источники имеют точечный вид и в десяткитысяч раз ярче подобных источников, открытых в нашей Галактике и галактике М81.

/>Гипотеза Лапласа

Первым человеком,предположившим существование чёрных дыр, был Симон-Пьер де Лаплас, который,изучая теорию тяготения, выдвинул гипотезу о существовании объектов, движущихсясо скоростью, превышающей скорость света. Учёный предполагал, что существуеттело, скорость которого настолько высока (около 300 000 км/с), что свет неможет излучаться с его поверхности.

/>Работы Хоукинга

Стивен Хоукинг, несмотря на своютрудную жизнь, омрачённую лишением дара речь и полную неподвижность, написалмного трудов, в том числе связанных с попытками объяснить физические основытеории Большого взрыва, распознаванием чёрных дыр и значительной деформациейпространства и времени внутри них.

Один из самых интересныхфактов, выдвинутых Хоукингом, был о том, что чёрные дыры не полностью«чёрные», а могут выбрасывать излучение благодаря квантовым эффектамдо собственного исчезновения или взрыва.

/>Заключение

Много интересного можно узнать о чёрных дырах, занимаясь ихизучением вплотную. В безднах Вселенной так много всего нового и неизвестного,что будет изучаться, я думаю, ещё долгое время.

Есть уверенность, что с усовершенствованием техники мы сможемкогда-нибудь узнать, опровергнуть или доказать сегодняшние предположения игипотезы, которые люди высказывали сотни лет назад.

Правильно сказал Дж. Друно: «Умственнаясила никогда не успокоится, никогда не остановится на познанной истине, но всевремя будет идти вперед и дальше, к непознанной истине».

/> Использованная литература:

1. Зубков Б.В.,Чумаков С.В. «Энциклопедия юного техника» «Педпгогика»; М., 1988.

2. Аза Бриггс, АнгусХолл «Когда? т Где? Как? и почему это произошло?»1993;

3. Рандзини Дж. Справочник«Космос». – М., « Росмен»2000.

www.ronl.ru

Реферат - Черные Дыры - Астрономия

Отдел образования администрации Центрального района.

Муниципальная гимназия №1

Реферат

По теме Чёрные Дыры

Данилов Игорь учащегося 11 класса

Новосибирск 2000.

Содержание:

Содержание……………………………………………………………………………… 2

Что из себя представляют Чёрные Дыры…………………………………………… 3

Как Черные дыры образуются………………………………………………………… 4

Как обнаруживали Чёрные дыры……………………………………………………. 5

Гипотезы и парадоксы…………………………………………………………………. 7

Уравнение Шварцшильц……………………………………………………………… 10

Список Литературы……………………………………………………………………. 12

Приложение………………………………………………………………………………13

Что из себя представляют Чёрные Дыры.

Одним из самых парадоксальных объектов, находящихся в космосе, — являются так называемые «черные дыры», или коллапсары — тела бесконечно большой плотности. Сущность данного парадокса заключается в том, что интенсивность гравитационного взаимодействия тел определяется их массой, все же другие известные виды их взаимодействия от массы не зависят. Это означает, что если количество частиц вещества в некоторой области пространства превысит определенное критическое значение, то гравитационные силы будут превалировать над всеми другими, а вследствие того, что гравитационные силы являются всегда силами притяжения, данное тело будет сжиматься. После того как открыли нейтроны, это помогло узнать конечную судьбу тяжелых звезд: огромное тяготение «вдавливает» свободные электроны в протоны, и возникают электрически нейтральные частицы — нейтроны. Рождается нейтронная звезда, вещество которой имеет невероятную плотность. Кусочек такой материи размером с кубик пиленого сахара весит один миллиард тонн, а нейтронная песчинка уравновесила бы мощный электровоз. Поскольку же пространство-время в общей теории относительности предполагается непрерывным, то этому сжатию нельзя положить никакого обоснованного предела. В итоге, согласно данной теории получается, что такое тело должно сжаться в точку, при этом интенсивность гравитационных полей вблизи него возрастает до бесконечности, а пространство искривится настолько, что полностью замкнется, скорость же, необходимая для того чтобы покинуть пределы этого скопления, может сколь угодно превысить скорость света, а значит, ни одна частица вещества и ни один квант излучения не сможет уже этого сделать, то есть образуется объект, способный поглощать в себя любое количество любой материи и ничего не выпускать обратно.Так, любое тело, упавшее на поверхность такого объекта, будет действительно поглощено им безвозвратно вследствие того, что составляющие это тело барионы-вакансии под действием мощных сил тяготения сольются с пузырем, в результате чего тело потеряет всякую индивидуальность и обособленность.

Все чёрные дыры притягивают газ из окружающего пространства, и вначале он собирается в диск возле нее. От столкновений частиц газ разогревается, теряет энергию, скорость и начинает по спирали приближаться к черной дыре. Газ, нагретый до нескольких миллионов градусов, образует вихрь, имеющий форму воронки. Его частицы мчатся со скоростью 100 тысяч километров в секунду. В конце концов вихрь газа доходит до «горизонта событий» и навечно исчезает в черной дыре. Поскольку же минимальная скорость, необходимая для того чтобы уйти от этой «дыры», будет меньше скорости света, то любой предмет, не упавший непосредственно на ее поверхность, будет иметь шанс покинуть ее пределы. При падении вещества на поверхность черной дыры, должно возникать рентгеновское излучение вследствие большой интенсивности гравитационных полей вокруг него.

В 1997 году удалось доказать, что некоторые черные дыры вращаются, вовлекая в это движение и окружающее их пространство. «До сих пор мы умели узнавать лишь массу черной звезды, теперь можем определять ее вращательный импульс», — с гордостью говорит сотрудник Центра НАСА в Хантсвилле Шуанг Нан Цанг.

Черную дыру окружает некая граница, и вся материя, находящаяся внутри нее, непременно будет поглощена дырой. Размеры границы зависят, в частности, от скорости вращения черной дыры. Эту скорость можно посчитать, если знать, с какой скоростью движется материя у границы. Расшифровывая информацию, поступающую от спутников, улавливающих рентгеновское излучение, Шуанг Нан Цанг и его коллеги пришли к выводу, что в Млечном Пути находятся 12 черных дыр с массой от трех до тридцати солнечных. Некоторые из этих дыр вращаются очень медленно, другие — вовсе неподвижны. Но две вращаются вокруг своих осей с невероятной скоростью. «Исследуя вращение черной дыры, — пишет астрофизик из Балтимора Марио Ливио, — можно узнать, сколько материи она успела поглотить за свою жизнь и как вращательный импульс связан с выбросом материи в виде осевой струи». Цанг убежден, что эти две быстро вращающиеся дыры, обнаруженные в нашей Галактике, посылают в свои окрестности струи высокоэнергичных частиц. Струи вращаются примерно с той же скоростью, что и сама черная дыра. Точные измерения позволяют определить скорость вращения вихря материи прежде, чем она исчезнет в черной дыре.

Кроме того, ученые обнаружили колебания интенсивности рентгеновского излучения у обоих объектов. Эти наблюдения навели в конце 1997 года на след еще более удивительного феномена: газовые и пылевые частицы около двух черных дыр, о которых идет речь, подвержены периодическому движению, называемому прецессией. Это значит, что ось вихревого движения частиц не стоит на месте, а в свою очередь вращается вокруг другой оси.

Как Черные дыры образуются.

Черные дыры не могут быть замечены непосредственно, но астрономы могут видеть доказательство их существования, когда газы извергаются на звезду-спутник.Если взорвать динамит, то крошечные осколки взрывчатого вещества глубоко вонзятся в ближайшие объекты, таким образом оставляя несмываемый доказательство произошедшего взрыва.Астрономы нашли подобный отпечаток на звезде, которая движется по орбите вокруг чёрной дыры, небезосновательно полагая, чтобы данная чёрная дыра — бывшая звезда, которая разрушилась настолько сильно, что даже свет не может преодолеть её силу гравитации, — возникла в результате взрыва сверхновой звезды. К этому времени, астрономы наблюдали взрывы сверхновых звёзд и обнаружили на их месте пятнистые объекты, которые, по их мнению, и являются чёрными дырами. Новое открытие — первое реальное доказательство связи между одним событием и другим. (Чёрные дыры нельзя непосредственно увидеть, но о их присутствии иногда можно судить по действию их гравитационного поля на ближайшие объекты. Система «звезда-и-чёрная дыра», обозначенная как GRO J1655-40, находится приблизительно на удалении в 10,000 световых лет в пределах нашей галактики Млечного пути. Обнаруженная в 1994 году, она привлекла внимание астрономов сильными вспышками рентгеновских лучей и обстрелом радиоволн, поскольку чёрная дыра выталкивала газы на звезду-спутник, находящуюся на расстоянии 7.4 миллионов миль. Исследователи из Испании и Америки начали внимательно присматриваться к звезде-спутнику, полагая, что она могла сохранить какой-либо след, свидетельствующий о процессе формирования чёрной дыры.Считается, что черные дыры, размером со звезду, являются телами больших звёзд, которые просто уменьшились до таких размеров после того, как израсходовали всё своё водородное топливо. Но по непонятным пока причинам, затухающая звезда трансформируется в сверхновую прежде, чем взорваться. Наблюдения системы GRO J1655-40 в августе и сентябре 1994 года позволили зафиксировать, что потоки выбрасываемого газа имели скорость, составляющую до 92 % от скорости света, что частично доказывало наличие там чёрной дыры. Если учёные не ошибаются, то часть взорвавшихся звезд, которые, вероятно, в 25-40 раз больше, чем наше Солнце, превратилась в выжившие спутники. Это именно те данные, которые астрономы обнаружили. Атмосфера звезды-спутника содержала более высокую, чем обычно, концентрацию кислорода, магния, кремния и серы — тяжелые элементы, которые могут быть созданы в большом количестве только при температуре в мультимиллиард градусов, которая достигается во время взрыва суперновой звезды. Это и явилось первым доказательством, действительно подтверждающим справедливость теории о том, что некоторые чёрные дыры вначале возникли как сверхновые звёзды, поскольку увиденное не могло быть рождено звездой, которую наблюдали астрономы.

Как обнаруживали Чёрные дыры.

Как известно, «черные дыры» нельзя обнаружить непосредственными наблюдениями — их существование устанавливается по тому мощному влиянию, которое они оказывают на другие объекты или по мощному рентгеновскому излучению.

Наблюдения так называемых систем двойных звезд, когда в телескоп видна лишь одна звезда, дают основание считать, что невидимый партнер — черная дыра. Звезды этой пары расположены так близко одна к другой, что невидимая масса «высасывает» вещество видимой звезды и поглощает его. В некоторых случаях удается определить время оборота звезды вокруг ее невидимого партнера и расстояние до невидимки, что позволяет рассчитать скрытую от наблюдения массу. Первый кандидат на такую модель — пара, обнаруженная в начале семидесятых годов. Она находится в созвездии Лебедя и испускает рентгеновские лучи. Здесь вращаются горячая голубая звезда и, по всей вероятности, черная дыра с массой, равной 16 массам Солнца. Другая пара (V404) имеет невидимую массу в 12 солнечных. Еще одна подозреваемая пара — рентгеновский источник (LMCХ3) в девять солнечных масс находится в Большом Магеллановом Облаке. Все эти случаи хорошо объясняются в рассуждениях Джона Мишелла о «темных звездах». В 1783 году он писал: «Если светящиеся тела вращаются вокруг невидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этого вращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этого центрального тела». Два итальянских астронома, Луиджи Стелла и Марио Виертри, на основе данных, полученных со спутника RXTE, открыли искривление пространства около нейтронной звезды, правда, очень слабое. Уже создается спутник, названный «Gravity Probe В», специально приспособленный для исследования эффектов теории относительности. Его старт планируется на 2000 год.

Измерения параметров движений в центральной области нашей Галактики вели с 1992 по 1998 г. сотрудники Института внеземной физики им. Макса Планка в Гаршинге (Германия) под руководством А. Экарта (A.Eckart).Они определяли скорость перемещения 200 звезд с помощью специального спектрометра. Оказалось, что с наибольшей скоростью движутся те звезды, которые расположены поблизости от объекта Стрелец А, который и ранее предположительно относили к числу «черных дыр». У звезд, удаленных от него всего на пять световых суток, скорость обращения вокруг центра превышает 1000 км/с. Вычисления показали, что подобное движение звезд может наблюдаться лишь в том случае, если в ядре Галактики находится объект, масса которого составляет 2.6 млн массы Солнца, а плотность такая, как если бы 2 трлн Солнц «втиснуть» в один кубический световой год! Такими свойствами может обладать только «черная дыра», поглощающая за какие-нибудь несколько миллионов лет всю материю, попадающую в сферу ее влияния. О сходных результатах сообщила на конференции Американского астрономического общества (Вашингтон, 1998) А.М. Гез (A.M. Ghez; Университет штата Калифорния, Беркли). Вместе с коллегами она вела наблюдения в том же инфракрасном диапазоне частот (2 мкм), что и Экарт, но на более мощном 10-метровом Телескопе им. Кека на горе Мауна-Кеа (Гавайские о-ва). Они установили, что звезды, расположенные к центру Галактики вдвое ближе, чем наблюдавшиеся немецкими астрономами, движутся со скоростью 3000 км/с! По мнению Гез, такую скорость звездам может придать лишь «черная дыра» с массой 2.7 млн Солнц. При таких масштабах величин вывода обеих групп можно считать почти идентичными. Итак, в центре нашей Галактики, по всей видимости, так же находится огромная «черная дыра».

Несколько лет назад группа американских и японских астрономов направила свой телескоп на созвездие Гончих Псов, на находящуюся там спиральную туманность М106. Эта галактика удалена от нас на 20 миллионов световых лет, но ее можно увидеть даже с помощью любительского телескопа. Многие считали, что она такая же, как и тысячи других галактик. При внимательном изучении оказалось, что у туманности М106 есть одна редкая особенность — в ее центральной части существует природный квантовый генератор — мазер. Это газовые облака, в которых молекулы благодаря внешней «накачке» излучают радиоволны в микроволновой области. Мазер помогает точно определить свое местоположение и скорость облака, а в итоге — и других небесных тел. Японский астроном Макото Мионис и его коллеги во время наблюдений туманности М106 обнаружили странное поведение ее космического мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра, удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтриговала астрономов скорость этого вращения: периферийные слои облаков перемещались на четыре миллиона километров в час! Это говорит о том, что в центре сосредоточена гигантская масса. По расчетам она равна 36 миллионам солнечных масс. Астрономы отбросили предположение о том, что такое количество материи может быть очень плотным скоплением звезд, которое мы не видим из-за космической пыли. Звезды, входящие в скопление, должны были бы находиться на очень близком расстоянии одна к другой. При такой «толкучке» они непременно начнут сталкиваться, и звездное скопление довольно быстро «рассыпется». Загадку хоровода облаков ученые объяснили тем, что они наблюдают черную дыру, вернее, то, что происходит в ее окрестностях. Ведь саму черную дыру увидеть нельзя.

Американским астрономам удалось зафиксировать рентгеновское излучение от супермассивных черных дыр, которые до недавнего времени считались «тихими». Эти дыры существуют в центрах самых старых и самых массивных галактик и имеют массу сравнимую с массой миллиардов Солнц, сжатую до размеров Солнечной системы. В то время, как небольшой процент супермассивных черных дыр излучают мощные рентгеновские потоки (известны как активное галактическое ядро), огромное большинство массивных черных дыр рентгеновским излучением не обладает. Последние наблюдения показали, что «тихие» супермассивные черные дыры также имеют рентгеновское излучение, но гораздо меньшее чем активное галактическое ядро. Новые результаты вселяют надежду, что супермассивные черные дыры присутствуют во всех галактиках, в том числе и нашей, и могут стать ключом в вопросе происхождения Вселенной.

На снимке, сделанном с помощью нового космического спектрографа Хаббла (Hubble's new Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS)), запечатлен «автограф» сверхмасивной черной дыры, расположенной в центре галактики М84. Несмотря на то, что гравитация не позволяет покинуть окрестность черной дыры даже свету (см. центр снимка), ее присутствие можно обнаружить по падающему по спирали с огромным ускорением на поверхность черной дыры межзвездному веществу, скорость которого, определенная с помощью эффекта Допплера, составляет примерно 380 км/сек на расстоянии 26 световых лет от центра М84, галактики, находящейся в кластере галактик в созвездии Девы в 50 000 000 световых лет от нас. Данные STIS'а показывают, что излучение газа, движущегося в нашем направлении, смещенное в фиолетовую часть спектра (левая часть снимка), справа от центра снимка смещается в красную область (удаляющийся газ), указывая на наличие быстро вращающегося вокруг центра галактики диска вещества. В результате мы видим характерный S-образный росчерк черной дыры, масса которой составляет по меньшей мере 300 000 000 масс Солнца. Вполне вероятно, что в центре всех галактик расположены черные дыры.

Гипотезы и парадоксы .

Общая теория относительности, как известно, предсказала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, проводя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. (Здесь поражает еще и точность измерения, потому что сместились они меньше, чем на одну тысячную градуса!) Астрономы теперь точно знают, что под влиянием «линзы тяготения», которую представляют собой тяжелые звезды и, прежде всего, черные дыры, реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех, что нам видятся с Земли. Далекие галактики могут выглядеть для нас бесформенными и более яркими, чем они есть на самом деле из-за того, что на пути к Земле их свет взаимодействует со множеством «линз тяготения». Иногда луч, проходя мимо тяжелого объекта, расщепляется, и тогда наблюдатель с Земли видит множество изображений одного и того же объекта, или же они сливаются в кольцо. Моделирование на компьютере показало, например, что свечение газового диска, вращающегося вокруг черной дыры, видно и сзади ее «капсулы». Это означает: тяготение столь велико и пространство так закручено, что свет проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за углом. Вообразив совершенно невероятное: некий отважный космонавт решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы познать ее тайны. Что он увидит в этом фантастическом путешествии? По мере приближения к цели часы на космическом корабле будут все больше и больше отставать — это вытекает из теории относительности. На подлете к цели наш путешественник окажется как бы в трубе, кольцом окружающей черную дыру, но ему будет казаться, что он летит по совершенно прямому тоннелю, а вовсе не по кругу. Но космонавта ждет еще более удивительное явление: попав за «горизонт событий» и двигаясь по трубе, он будет видеть свою спину, свой затылок… Общая теория относительности говорит, что понятия «вовне» и «внутри» не имеют объективного смысла, они относительны так же, как указания «налево» или «направо», «верх» или «низ». Вся эта парадоксальная путаница с направлениями очень плохо согласуется с нашими повседневными оценками. Как только корабль пересечет границу черной дыры, люди на Земле уже не смогут ничего увидеть из того, что там будет происходить. А на корабле остановятся часы, все краски будут смещены в сторону красного цвета: свет потеряет часть энергии в борьбе с гравитацией. Все предметы приобретут странные искаженные очертания. И, наконец, даже если эта черная дыра будет всего вдвое тяжелее, чем наше Солнце, притяжение станет столь сильным, что и корабль, и его гипотетический капитан будут вытянуты в шнурок и вскорости разорваны. Материя, попавшая внутрь черной дыры, не сможет противостоять силам, влекущим ее к центру. Вероятно, материя распадется и перейдет в сингулярное состояние. Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет частью какой-то иной Вселенной — черные дыры связывают наш космос с другими мирами.

Из окружающей ее окрестности черная дыра высасывает гигантские количества материи: в каждую минуту проглатывается масса, равная нашему земному шару. Но прежде чем исчезнуть в утробе черной дыры, материя завихряется, как вода в ванне при спуске. Все быстрее и быстрее вращается ее поток, и, поскольку ее частицы все сильнее ударяются одна о другую, они нагреваются на многие миллионы градусов Цельсия. Столкновение частиц и рождает рентгеновское излучение, которое улавливают земные астрофизики. Космические процессы, о которых здесь было рассказано, в настоящее время происходят достаточно редко. Почти все рентгеновские лучи, которые в наши дни регистрирует спутник «Росат», приходят к нам из далекого прошлого, когда образование звезд шло энергичнее. Но к тому времени уже были черные дыры. А совсем недавно, в конце февраля 1998 года, в журнале «Астрономические известия» появилась статья, в которой исследователи пытаются определить время «наибольшего аппетита» у черных дыр. Расчеты показывают, что таким аппетитом они обладали еще до того, как большинство газовых шаров сжалось и превратилось в яркие звезды. Черные дыры в те времена отличались поистине колоссальной прожорливостью. Следовательно, можно полагать, что черные дыры появились вскоре после первоначального взрыва, породившего нашу Вселенную, но еще до того, как возникли первые звезды. Многое говорит и о том, что такие сверхмассивные черные дыры стали ядрами, вокруг которых впоследствии образовались галактики, объединяющие миллиарды солнц. Если эта гипотеза выдержит проверку временем, то она заставит изменить принятую ныне модель первоначаль ного образа мироздания.

Совсем недавно орбитальный телескоп, носящий имя американского астронома Хаббла, передал на Землю эпохальные снимки. Они показывают центр крупной галактики «Центавр-А» (NGC 5128), расположенной по космическим меркам недалеко от Земли — десять миллионов световых лет. Находящаяся там массивная черная дыра «заглатывает» маленькую соседнюю галактику. Специальная фотокамера отчетливо показала окружающий галактику NGC 5128 темный пояс из пыли со множеством светящихся голубым цветом недавно рожденных звезд и пылевых сгущений, погруженных в газовые облака. Снимки, сделанные в инфракрасных лучах, помогли астрономам заглянуть за пылевой занавес. Они открыли там изогнутую шайбу горячего газа, которая всасывается в черную дыру. Этот пожиратель материи оказался очень компактным: он немного больше нашей солнечной системы и содержит массу, равную одному миллиарду солнц.

Oказывается, своеобразные «черные дыры» есть и на Земле. Более того, в конце мая этого года сотрудники территориального центра «Томскгеомониторинг» обнаружили подобную около Томска, в 2 км от поселка Зоркальцево. На поверхности земли на пахотных угодьях АОЗТ «Октябрь» образовался провал. Его устье имеет овальную форму, шириной 1,5-2 м. Глубина образовавшейся полости 4-5 м. «Прямых признаков, — пишет и.о. директора „Томскгеомониторинга“ Ю.Макушин, — указывающих на происхождение депрессии, при обследовании не обнаружено. Возможно, образование провала связано с активизацией суффозиозных процессов или с техногенными причинами...» Поучается, что целый «КамАЗ» земли просто так исчез? Очень интересное объяснение этой загадке дает научный руководитель лаборатории «Природно-техногенные электромагнитные системы» (ПТЭС) ТПУ Владимир Сальников. Оказывается, все дело в «подземной грозе». Под землей гремят свои «громы», сверкают «молнии». Чтобы понять суть явления, давайте немного обратимся к истории. В начале века физики выдвинули гипотезу «подземной грозы», возникающей в результате накопления электрического заряда в недрах Земли. Результатом подобного «пробоя» могут быть оползни, землетрясения, провалы. В 70-х годах в Томском политехническом институте по инициативе ректора, профессора Александра Воробьева, всерьез взялись за эту проблему, привлекли широкий круг специалистов, в основном геологов и физиков. Минералы и горные породы нагревали, сжимали, облучали и т. д. после чего регистрировали их электромагнитное излучение. Ученые доказали, что «подземная гроза» существует, и огромные толщи горных пород могут генерировать импульсы большой мощности. Это и есть «подземная гроза», выход на земную поверхность которой может порождать эти самые провалы, аномалии, «черные дыры». Как утверждает Владимир Сальников, основная «подзарядка» подземных молний происходит по техногенным причинам, в силу «энергетической» загрязненности окружающей среды. Поскольку последние десятилетия техногенная, искусственная нагрузка на окружающую среду резко возросла, участились природные аномалии. Особенно в казахстанских степях, в районе Семипалатинского ядерного полигона, где периодически появляются ямы до 4 метров в диаметре. По мнению исследователей, это результат накопления избыточной энергии подземных ядерных взрывов. Обычно она реализуется в виде сейсмических колебаний, здесь же мы имеем техногенно-литосферный выход электромагнитных систем с «всасыванием», захватом вещества, как в космических «черных дырах». Между прочим, — продолжает Владимир Сальников, — мы ожидали эту находку, обнаружению геологами вблизи Зоркальцева. Мы предполагаем, что провалы в земной поверхности образовались в результате недавних ядерных испытаний в Индии, Пакистане, разрушительных землетрясений в Афганистане, на Камчатке. То есть в литосфере произошла активация, и в результате образовались подобные полости. Предполагаю, что ям, подобных зоркальцевской, появилось множество, и самой различной конфигурации. Но большинство из них идентифицировать довольно сложно. Выход на поверхность электромагнитных систем, например, в болотистой местности обнаружить практически невозможно. В лесу же он будет «замаскирован» растительностью. Почему техногенно-литосферный выход происходит не сразу? Наш многолетний опыт таких исследований подсказывает, что энергия какое-то время накапливается, и лишь потом происходит релаксация… А опыт, и немалый, у политехников действительно есть. В комитет природных ресурсов по Томской области поступил исследовательский проект по изучению закономерностей генерирования электромагнитных систем в геоактивных зонах литосферой и техногенными процессами. В обосновании говорится, что в лаборатории ПТЭС имеется десятилетний опыт исследования энергоактивных зон с элементами природно-техногенной разгрузки, по прогнозу экологических катастроф, в результате механоэлектрических преобразований в литосфере, вследствие ее природной и техногенной активации сейсмическими явлениями и ядерными взрывами. Разумеется, объяснение феномена «черной дыры» под Зоркальцевом, которое привел Владимир Сальников, — одна из гипотез. Быть может, причины этого явления куда более прозаические, чем эхо ядерных испытаний в Индии и Пакистане. А может, наоборот, гораздо загадочней и экзотичней. Как знать. Одно не вызывает никаких сомнений — подобные феномены, как земные «черные дыры», которые появляются уже много лет и не только у нас, требуют тщательного научного изучения.

Еще 200 лет назад вопросом о влиянии гравитации на распространение света звезд задался ныне мало кому известный английский естествоиспытатель Джон Мишелл. Большинство ученых в те времена считали, что свет состоит из частиц. И Мишелл исходил из того, что частицы света в своем движении будут замедляться тяготением звезды или планеты, от которой они удаляются. Он сделал расчет: какой должна быть наименьшая сила притяжения, чтобы частицы света не могли покинуть их источник. Его вычисления говорили, что небесное тело, весящее в 500 раз больше нашего Солнца, вообще не позволит частицам света покинуть его.

«Если такие тела в природе действительно существуют, — заключал свою работу Мишелл, — их свет нас никогда не достигнет». Идеи ученого на какое-то время привлекли внимание научных кругов, но последователей он не обрел.

Прошло 13 лет, и французский философ Пьер Симон Лаплас, по всей видимости незнакомый с работами Мишелла, пришел к аналогичному выводу. Но тут вскоре было доказано, что свет — волновое явление. Гипотезы Мишелла и Лапласа ученые оставили в стороне. Все, что касалось соображений о взаимодействии света и гравитации, Лаплас в последующих изданиях своих работ вычеркнул.

Уравнение Шварцшильц

В 1906 году немецкий физик Шварцшильц получил решение уравнений общей теории относительности для поля тяготения сферического тела. Из этого решения следует замечательный вывод: сила притяжения, действующая между массой М и пробной частицей m на расстоянии r от центра тяготеющей массы, возрастает до бесконечности при r = 2GM / cc , где G – гравитационная постоянная,c – скорость света. В рамках же ньютоновской теории сила тяготения стремится к бесконечности приr -> 0 , в силу равенства F = GMm / rr Иными словами, теория относительности предпологает возможность существования объектов с бесконечной гравитационной силой на конечном расстоянии от их центра. Такое расстояние, равное 2GM/cc, называют гравитационным радиусом тела R g , а сферу с радиусом, равным гравитационноиу – сферой Шварцшильца. Чёрной дырой принято называть тело, сжатое до размеров сферы Шварцшильца. Тяготение такого объекта не даёт ни материи, ни излучению (в том числе и световому) выйти за границы Шварцшильцовской сферы; собственно поэтому Чёрные дыры и имеют такое название.Если тело сжатьтак, чтобы его радиус сравнялся с гравитационным, то в результате бесконечного нарастания силы тяготения начнётся самопроизвольное непрерывное сжатие вещества в точку, т.н. сингулярность с безграничной плотностью. Такой процесс сжатия тела за сферу Шварцшильца получил название релятивистского гравитационного коллапса и был строго рассчитан в 1939 году амереканским учёным Р. Оппенгеймером и Г. Волковым. В сильном поле тяготения ярко проявляются такие следствия теории относительности, как, например, относительность промежутков времяни. Обозначим через t 0 интервал времяни между двумя событиями на поверхности гравитируещей массы, а через t – промежуток времяни между этими же событиями, зафиксированный наблюдателем вне поля тяготения этой массы, движущимся относительно данного тела со второй космической скоростью V=sqrt(2GM/r) По теории относительности эти два промежутка связаны между собой следующей формулой: t = t /sqrt(1-VV/cc)= t /sqrt(1-2GM/rcc)= t /sqrt(1- R g /r) Видно что с приближением радиуса тела к гравитационному промежуток времяни t увеличится, т.е. для далёкого наблюдения все процессы вблизи чёрной дыры будут казаться замедленными. В частности, само образование чёрной дыры, с точки зрения удалённого наблюдателя, длится бесконечно долго. Пусть дыра образуется в результате сжатия какого-либо тела, например, звезды с начальным радиусом r . В процессе сжатия он будет уменьшаться по закону r(t)=R g +( r -R g )(e)в степени - ct/eRg из которого следует, что звезда сожмётся до размеров сферы Шварцшильца лишь при t стремящемся к бесконечности.

Список литературы :

1. Д ве статьи журнала “ Наука и Жизнь ” , написанных Г.Николаевым

2. Статья из журнала “ Природа ”

3. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия

4. Что Есть Что – “Звёзды”

А так же материал из интернета с различных астрономических страниц.

Приложение.

Как себе представляютучёные Чёрную дыру

Снимок, сделанный с помощью нового космического спектрографа Хаббл.

Лучи света в окрестностях черной дыры. Лучи, которые подлетают к ней слишком близко, будут поглощены ею. На определенном расстоянии лучи пойдут по кругу, радиус которого зависит от массы черной дыры. Более отдаленные лучи могут получить обратное направление, или их траектория будет изогнута. А это означает, что реальное расположение многих небесных тел на самом деле может существенно отличаться от того, что нам видится с Земли.

На рисунках: черная дыра засасывает газ и пыль (1). Компьютерные модели показывают, как искривляется пространство вблизи черной дыры. Для наглядности изображено кольцо (2), возле черной дыры оно изгибается, как поля шляпы. В другом случае, когда черная дыра вращается (пока считают, что некоторые из них неподвижны), кольцо становится еще и асимметричным (3).

www.ronl.ru

Доклад - Черные дыры - Астрономия

Изложеныновейшие данные по определению масс черных дыр в рентгеновских двойных звездныхсистемах. К настоящему времени известно 10 рентгеновских двойных систем,содержащих массивные (с массой более трехсолнечных) рентгеновские источники — кандидаты в черные дыры. Замечательно, что ни у одного из них не наблюдаетсяфеноменов рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера I типа.

Какизвестно, черной дырой называется область пространства-времени, в которойгравитационное поле настолько сильно, что даже свет не может покинуть этуобласть. Это происходит, если размеры тела меньше его гравитационного радиуса гдеG — постоянная тяготения, c — скорость света, М — масса тела. Гравитационныйрадиус Солнца 3 км, Земли — около 9 мм.

Общаятеория относительности А. Эйнштейна предсказывает удивительные свойства черныхдыр, из которых важнейшее — наличие у черной дыры горизонта событий. Дляневращающейся черной дыры радиус горизонта событий совпадает с гравитационнымрадиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдателя ход времениостанавливается. Космический корабль, посланный к черной дыре, с точки зрениядалекого наблюдателя, никогда не пересечет горизонт событий, а будет непрерывнозамедляться по мере приближения к нему. Все, что происходит под горизонтомсобытий, внутри черной дыры, внешний наблюдатель не видит. Космонавт в своемкорабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий, но передатькакую-либо информацию внешнему наблюдателю он не сможет. При этом космонавт,свободно падающий под горизонтом событий, вероятно, увидит другую Вселенную, идаже свое будущее. Связано это с тем, что внутри черной дыры пространственная ивременная координаты меняются местами и путешествие в пространстве здесьзаменяется путешествием во времени.

Еще болеенеобычны свойства вращающихся черных дыр. У них горизонт событий имеет меньшийрадиус, и погружен он внутрь эргосферы — области пространства-времени, вкоторой тела должны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационнымполем вращающейся черной дыры.

Стольнеобычные свойства черных дыр многим кажутся просто фантастическими, поэтомусуществование черных дыр в природе часто ставится под сомнение. Однако, забегаявперед, отметим, что, согласно новейшим наблюдательным данным, черные дырыдействительно существуют и им присущи удивительные свойства.

КАКОБРАЗУЮТСЯ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Известно,что если масса ядра звезды, претерпевшего изменения химического состава из-затермоядерных реакций и состоящего в основном из элементов группы железа,превышает 1,4 солнечной массы M, но не превосходит трех солнечных масс, то вконце ядерной эволюции звезды происходит коллапс (быстрое сжатие) ядра, врезультате которого внешняя оболочка звезды, не затронутая термоядернымипревращениями, сбрасывается, что приводит к явлению вспышки сверхновой звезды.Это приводит к формированию нейтронной звезды, в которой силам гравитационногопритяжения противодействует градиент давления вырожденного нейтронноговещества. Огромные силы давления вырожденного нейтронного вещества обусловленытем, что нейтроны обладают полуцелым спином и подчиняются принципу Паули,согласно которому в данном энергетическом состоянии может находиться толькоодин нейтрон.

Присжатии ядра звезды на поздней стадии эволюции температура поднимается догигантских значений — порядка миллиарда кельвинов, поэтому ядра атомовразваливаются на протоны и нейтроны. Протоны поглощают электроны, превращаютсяв нейтроны и испускают нейтрино. Нейтроны же, согласно квантовомеханическомупринципу Паули, запрещающему им находиться в одинаковых состояниях, начинаютпри сильном сжатии эффективно отталкиваться друг от друга. В случае массыколлапсирующего ядра звезды меньше 3M скорости нейтронов значительно меньшескорости света и упругость вещества, обусловленная в основном эффективнымотталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести кобразованию устойчивых нейтронных звезд. В случае массивных ядер звезд (m >3M) скорости нейтронов велики, силы отталкивания между ними не могутуравновесить силы гравитации. В этом случае образующаяся нейтронная звезда,остывая коллапсирует, согласно существующим представлениям, в черную дыру.Поскольку при образовании нейтронной звезды радиус звезды уменьшается от 106 до10 км, из условия сохранения магнитного потока следует, что магнитное поленейтронной звезды радиусом 10 км может достигать очень большой величины — порядка 1012 Гс. Радиус нейтронной звезды порядка 10 км, плотность веществадостигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре.

Хорошоизвестные радиопульсары и рентгеновские пульсары как раз и представляют собойнейтронные звезды, причем число известных радиопульсаров достигает 700.Радиопульсары наблюдаются как источники строго периодических импульсов радиоизлучения,что связано с переработкой энергии быстрого вращения звезды в направленноерадиоизлучение через посредство сильного магнитного поля. Рентгеновскиепульсары светят за счет аккреции вещества в тесных двойных звездных системах:сильное магнитное поле нейтронной звезды направляет плазму на магнитные полюсы,где она сталкивается с поверхностью нейтронной звезды и разогревается в ударнойволне до температур в десятки и сотни миллионов градусов. Это приводит кизлучению рентгеновских квантов. Поскольку ось магнитного диполя не совпадает сосью вращения нейтронной звезды, рентгеновские пятна (их называют аккреционнымиколонками) при вращении нейтронной звезды то видны для земного наблюдателя, тоэкранируются телом нейтронной звезды, что приводит к эффекту маяка и феноменурентгеновского пульсара — строго периодической переменности рентгеновскогоизлучения на временах от долей секунды до тысяч секунд. Периодические пульсациирадио- или рентгеновского излучения говорят о том, что у нейтронной звезды естьсильное магнитное поле (~ 1012 Гс), твердая поверхность и быстрое вращение(периоды радиопульсаров достигают миллисекунд времени). У черной дыры строгопериодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку, согласнопредсказанию общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, описывающей сильныегравитационные поля, черная дыра не имеет ни твердой поверхности, ни сильногомагнитного поля.

Длязвезд, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают три солнечных,ОТО предсказывает неограниченное сжатие ядра (релятивистский коллапс) собразованием черной дыры. Это объясняется тем, что силы гравитации, стремящиесясжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностяхвещества, достигаемых при сжатии ядра звезды (порядка миллиарда тонн вкубическом сантиметре), главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергияпокоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что давлениевещества при больших плотностях как бы само «весит»: чем большедавление, тем больше плотность энергии и, следовательно, силы гравитации,стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях,согласно ОТО, становятся принципиально важными эффекты искривленияпространства-времени, что также способствует неограниченному сжатию ядразвезды.

Черныедыры с очень большими массами (до миллиардов солнечных масс), по-видимому,существуют в ядрах галактик, и в последние годы в наблюдательном исследованиисверхмассивных черных дыр наметился существенный прогресс в связи сиспользованием космического телескопа им. Хаббла и применения методоврадиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Кроме того, теория предсказываетвозможность существования первичных черных дыр, образовавшихся в моментобразования Вселенной. Мы ограничимся рассмотрением лишь черных дыр звездноймассы, образовавшихся на конечных этапах эволюции массивных (с массами вдесятки солнечных) звезд.

МЕТОДЫОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС ЧЕРНЫХ ДЫР

Известно,что массу звезды можно измерить, если она входит в двойную систему. Наблюдаядвижение звезд — компонент двойной системы и применяя законы Кеплера,вытекающие из закона тяготения Ньютона, можно измерить массы звезд. При этом,поскольку размеры орбиты двойной системы в миллионы раз больше гравитационныхрадиусов компонент, для определения масс звезд, в том числе и масс нейтронныхзвезд и черных дыр в двойных системах, вполне достаточно использования законатяготения Ньютона. Мы не рассматриваем здесь случай двойных радиопульсаров, гдегромадная точность определения моментов прихода радиоимпульсов позволяетнаблюдать релятивистские эффекты (обусловленные ОТО) в движении пульсара, и поним определять с высокой точностью массы пульсаров, и даже наблюдать вековоеукорочение орбитального периода двойной системы, обусловленное излучениемпотока гравитационных волн.

Оптическаязвезда в двойной системе является не только пробным телом в гравитационном полечерной дыры, позволяющим измерить ее массу, но также своеобразным донором,поставляющим вещество на соседний релятивистский объект (нейтронную звезду иличерную дыру). Аккреция этого вещества на релятивистский объект приводит кразогреву плазмы до температур в десятки и сотни миллионов градусов и кпоявлению мощного рентгеновского источника. Теоретическое предсказание мощногоэнерговыделения при несферической аккреции вещества на черную дыру было сделанов 1964 году Я.Б. Зельдовичем и Е.Е. Салпитером. Теория дисковой аккрециивещества на релятивистский объект в тесной двойной звездной системе развита вначале 70-х годов в работах Н.И. Шакуры и Р.А. Сюняева, Дж. Прингла и М. Риса,И.Д. Новикова и К.С. Торна.

НОВЕЙШИЕДАННЫЕ

/>Обнаружена одна из ближайших к Солнечной системе черных дыр,которая образовалась в результате старения и последующей гибели звезды классаголубой гигант. И впервые довольно точно удалось вычислить ее орбиту обращениявокруг нашей Галактики – Млечный Путь.

Чернаядыра была обнаружена благодаря тому, что “пожирала” вещество соседки – болеемалой звезды.

Открытиебыло сделано в результате наблюдений радиотелескопов Национального Научногообщества (VLBA), объединенных в систему радиоинтерферометрии со сверхдлиннойбазой вместе со спутниками приема рентгеновского излучения Rossi.

Доказательствомподтверждения открытия послужили оптические снимки, сделанные на ПаломарскойОбсерватории (POSS). Это впервые, когда орбитальное движение черной дыры былоизмерено.

Результатыисследований были сообщены 13 сентября 2001 года в выпуске журнала “Природа”.

Объектназывается XTE J1118+480 и был обнаружен спутником Rossi X- 29 марта 2000 года.Более поздние наблюдения в оптическом и радиодиапазоне показали, что чернаядыра отстоит на 6,000 световых лет от Земли и представляет собой бинарнуюсистему, в которой она засасывает звездный газ из соседней звезды, формируягорячий вращающийся диск, напоминающий воронку водоворота в море. Этот процесссопровождается выбросом субатомных частиц, которые испускают радиоволны.

Большинствозвезд в нашей Галактике — Млечный Путь, находятся в пределах галактическойплоскости. Однако, также имеются шаровые звездные скопления, которые содержатсотни тысяч самых старых звезд в Галактике, и которые находятся вне плоскостиГалактики. XTE J1118+480 подобно таким шаровым скоплениям, перемещающимся соскоростью 145 километров в секунду относительно Земли, совершает замысловатыепетли вокруг Галактики. Эта черная дыра образовалась в результате смертимассивной звезды, которая по классу была на уровне голубого гиганта. Такиезвезды, когда полностью выработают свой ресурс, либо взрываются как новыезвезды, оставляя после себя ядро оболочки в виде нейтронной звезды, либозаканчивают путь “гравитационным хлопком” сжатия, образуя черную дыру.

Этачерная дыра имеет массу, больше солнечной в 7 раз. Чтобы разогнаться досуществующей скорости, ей потребовался толчок ускорения, который могла датьтолько гравитационная сила общей массы шарового звездного скопления, изкоторого она когда-то и была выброшена.

/>Расположенная неподалеку от Млечного Пути галактика Centeurus Aимеет в своем центре массивную черную дыру. Это удалось установитьмеждународной команде астрономов из Южной Европейской Обсерватории, проводившихнаблюдения с помощью телескопа VLT (Very Large Telescope) в Чили. Измеренияпозволили определить массу черной дыры — около 200 миллионов масс Солнца.Галактика Centaurus A, известная также как NGC 5128, удалена от Земли на 11миллионов световых лет. Это один из самых изученных объектов Вселенной. Какгалактика она была каталогизирована в 1847 году британским астроном ДжономГершелем (John Herschel) и уже полтора века изучается с использованием всегонабора астрономических инструментов. О том, что в центре галактики находитсячерная дыра, подозревали давно, но никто не думал, что она настолько массивна.

/>Дж.Моран (J.Moran; Астрофизический центр вКембридже, штат Массачусетс, США) утверждает, что ему удалось обнаружитьсверхмассивную черную дыру в центре весьма удаленной от нас спиральнойгалактики NGC 4258, по результатам изучения мощного мазерного излучения,создаваемом молекулами воды газовых облаков, которые подвергаются воздействиюинтенсивной радиации.

Сопоставляяскорость движения космических облаков с их расположением, Моран установил, чтоони обращаются вокруг некоего центрального объекта, подобно планетам вокругСолнца. По значениям скоростей удалось вычислить массу притягивающего центра:она оказалась близкой к 36 млн М*! Причем вся эта гигантская массасосредоточена в области, поперечник которой менее 1 светового года. Такимихарактеристиками может обладать только черная дыра.

Источникимазерного излучения находятся на окружающей галактику NGC 4258 внешнейпериферии диска (или сферы — на этот счет среди астрофизиков нет единогомнения). Однако на столь значительных расстояниях, как в данном случае,наиболее вероятна, по общему мнению, форма диска. Мазеры располагаются там поS-образной кривой; такой изгиб, считает Моран, вызван давлением рентгеновскогоизлучения от скопления сверхраскаленного газа, находящегося в центре даннойсистемы.

Изучениедвижения мощных мазеров поможет, по мнению Моргана, поиску свермассивных черныхдыр. Ближайшим кандидатом он считает галактику NGC 1068, в которой, судя понаблюдаемым скоростям мазеров, может находиться черная дыра с массой,превышающей солнечную в 10 млн раз.

Что внутри у черной дыры

Чернойдырой называется область пространства-времени, ограниченная горизонтом, то естьповерхностью, которую даже свет не может покинуть вследствие действиягравитационных сил. Точка зрения теории относительности (ОТО) на черные дыры (иих внутреннюю структуру) состоит в следующем. Мы (по определению) не можемполучить никакой информации из черной дыры, поэтому она для нас именно ЧЕРНАЯ,то есть в рамках этого подхода вопрос о внутренней структуре черной дыры неявляется полностью корректным, т.к. мы не можем произвести соответствующиеизмерения, а можем лишь предполагать что-то, не получая непосредственнойинформацию оттуда.

Черная дыра (как идея) первоначально появилась в 18 веке благодаря работам Митчеллаи Лапласа как предсказание в ньютоновской теории. Затем уже — какматематическое решение ОТО. Для наиболее простой оценки радиуса горизонтачерной дыры (как у Митчелла и Лапласа) достаточно лишь положить вторуюкосмическую скорость равной скорости света. Для случае вращающихся и заряженныхчерных дыр решения получаются уже только в рамках ОТО.

Существуют или нет черные дыры во Вселенной, или, все-таки, это лишь наша играума и математики — вопрос пока остается открытым. Сейчас есть более 10кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах и несколько десятковкандидатов в сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик (в том числе и нашей).Однако, это лишь кандидаты, хотя и очень хорошие, и Нобелевская премия заоткрытие черных дыр пока никому не вручена. Но, оставив вопрос о физическомобосновании, никто не запрещает продлить решение внутрь черной дыры.Оказывается, что решение гладко продолжается под горизонт и заканчивается вточке, в которой одна из важнейших характеристик пространства — кривизна — становится равной бесконечности (как говорят «расходится»). Такоеповедение и называется сингулярностью, то есть областью, в которой не работаетне только физика, но и математика.

В какой-то мере исследование сингулярностейможно считать физичным и в рамках ОТО, особенно в свете недавних результатов оконечной стадии гравитационного коллапса. Дело в том, что несколько десятилетийназад была сформулирована «гипотеза космической цензуры», котораяутверждает, что в обыкновенной Вселенной сингулярность может существовать, лишьзакрытая от нас горизонтом, то есть в виде черной дыры. Так вот, недавно в ходечисленного анализа разных сценариев гравитационного коллапса было установлено,что при определенных начальных условиях (вполне физических, надо отметить)процесс гравитационного коллапса может закончится возникновением«голой» сингулярности. В рамках ОТО аналитического ответа на этотвопрос пока нет.

У ОТО есть один очень большой недостаток — она не поддается процедуреквантования, в отличии от теорий остальных физических взаимодействий(электромагнитного, слабого и сильного). Поэтому создаются так называемыетеории суперобъединения, в которые входит не сама ОТО, а какой-либо (еще доконца не ясно, какой) вариант эффективной теории гравитации, включающий ОТО. Сточки зрения идей квантовой механики, лежащей в основе объединениявзаимодействий, вопрос о внутренней структуре вполне правомерен, потому что всепространство должно описываться одной характеристикой — волновой функцией. Врамках этого нового подхода были открыты (в математическом плане, конечно)новые типы сингулярностей, которых нет в ОТО. Можно выделить характеристикисингулярности, например, по скорости, с которой кривизна расходится. В какой-томере и горизонт событий черной дыры можно считать сингулярностью, но неистинной, потому что кривизна в этом случае конечна (расходится лишь одинкоэффициент), более того, эту сингулярность можно убрать после соответствующегопреобразования координат.

Черныедыры сливаются

/> Ученые открыли, что в одной галактике вполнемогут сосуществовать две сверхмассивные черные дыры, которые в конечном итогеобязательно сольются в одну. Это событие будет сопровождаться такими выбросамиэнергии, что звезды будут вытеснены из центра галактики, где будет бушеватьрадиоактивное и гравитационное цунами. Ученые давно знали, что в галактике NGC 6240существует два ярких пятна, что зовутся ядрами. Поскольку центр галактикизакрыт от обзора пылью, ученые направили в ту сторону телескоп Чандра, внадежде определить, является ли любое из этих ядер активной сверхмассивнойчерной дырой. Каково же было их удивление, когда они поняли, что оба объектаявляются активными черными дырами.

Странствующая пара: черная дыра и ее звезда (слева — путь через Млечный путь).

Этагалактика находится от нас на расстоянии около 400 световых лет — довольноблизко по космическим масштабам и образовалась она в результате столкновениядвух галактик, которое началось 30 миллионов лет назад. Астрономы считают, чтослияние галактик на самом деле происходит очень мирно. Поскольку звездырасположены очень редко, они почти не «ощущают» происходящего. Сейчаспока центры сталкивающихся галактик только слегка гравитационно взаимодействуют.Но постепенно расстояние, равное сейчас 3 тысячам световых лет, будетуменьшаться. И тогда они неизбежно начнут взаимодействовать. Звезды, чтовращаются вокруг центров, ускорят свое движение и вылетят из центра галактики.Когда черные дыры приблизятся на расстояние около одного светового года, они начнутсливаться. Тогда газ, вращающийся вокруг черных дыр разогреется до такихтемператур, что начнет излучать радиоактивные волны. В конце концов полерадиоактивности уничтожит все объекты, находящиеся вокруг ядер, что даствозможность обозревать ядро. Ни одна звезда не уцелеет в поле влияния болеемассивной черной дыры после того, как они сольются. Ученые также построили компьютерную версию того,что происходит сейчас в галактике NGC 362. До этого астрономы никогда не виделидвойных черных дыр. Это наводило их на мысли, что такого явления, как двойнаячерная дыра не бывает, что черные дыры сливаются в одну. Недавно они получилидоказательство этого: джеты, испускаемые черными дырами в объекте, известномпод номером NGC 362, сместились. Это говорит о том, что черные дыры всталкивающихся галактиках «почувствовали» существование друг друга.

Списокиспользованной литературы:

1.Новиков И.Д. Черные дыры и Вселенная. М.: Мол. гвардия, 1985.

2.Липунов В.М. В мире двойных звезд. М.: Квант, 1986.

3.Черепащук А.М. Массивные тесные двойные системы. Земля и Вселенная. 1985. № 1.

С.16-24.

4. ЛютыйВ.М., Черепащук А.М. Оптические исследования рентгеновских двойных систем //Там же. 1986. № 5. С. 18-25.

5.Черепащук А.М. Черные дыры: новые данные // Там же. 1992. № 3. С. 23-30.

6.Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. М.: Бюро «Квантум», 1995. 106с.

www.ronl.ru

Реферат - Чёрные дыры - Астрономия

Содержание

TOC o «1-3» Введение… PAGEREF_Toc14963159 h 2

Внешнее строение черной дыры… PAGEREF_Toc14963160 h 2

Временные туннели?… PAGEREF_Toc14963161 h 3

Эргосфера… PAGEREF_Toc14963162 h 3

Метаморфозы чёрных дыр… PAGEREF_Toc14963163 h 4

Найдена ли уже чёрная дыра?… PAGEREF_Toc14963164 h 6

Может XTE J1118+480 и есть та самая чёрная дыра?… PAGEREF_Toc14963165 h 7

Гипотеза Лапласа… PAGEREF_Toc14963166 h 9

Работы Хоукинга… PAGEREF_Toc14963167 h 9

Заключение… PAGEREF_Toc14963168 h 10

Использованная литература:… PAGEREF_Toc14963169 h 11

Введение

Черные дыры – объекты вселенной, которые привлекают интерес многих учёных-астрономов. Чёрные дыры, космические объекты,существование которых предсказывает общая теория относительности. Образуютсяпри неограниченном гравитационном коллапсе массивных космических тел (вчастности, звезд с массами 40-60 MQ

).Коллапс гравитационный - катастрофически быстрое сжатие звездыпод действием сил тяготения (гравитации).Внешнее строение черной дыры

Чернаядыра обладает внешним гравитационным полем, свойства которого определяютсямассой, моментом вращения и, возможно, электрическим зарядом, есликоллапсирующая звезда была электрически заряжена. На больших расстояниях полечёрной дыры практически не отличается от полей тяготения обычных звёзд, идвижение других тел, взаимодействующих с чёрной дырой на большом расстоянии,подчиняется законам механики Ньютона. Гравитационное поле настолько сильно, чтоабсолютно не может испускать свет, поэтому они кажутся чёрными.

Катастрофическаягравитация сжатием (коллапсом) может заканчиваться, в частности, эволюциязвёзд, масса которых к моменту сжатия превышает критическую величину. Значениекритической массы точно не определено и в зависимости от принятого уравнениясостояния вещества меняется от 1,5MQ

до 3MQ(где MQ-масса Солнца).

Еслипосле потери устойчивости в звезде не происходит освобождения энергии,достаточной для остановки сжатия или для взрыва, при котором оставшаяся послевзрыва масса стала бы меньше критической, то центральные части звездыколлапсируют и за короткое время достигают гравитационного радиуса rg.Никакие силы не могут воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды, если еёрадиус уменьшится до rg (до радиуса сферыШварцшильда). Основное свойство сферы Шварцшильда состоит в том, что никакиесигналы, испускаемые с поверхности звезды, достигшей этой сферы, не могутвыйти наружу. Таким образом, в результатегравитационного сжатия массивных звёзд появляется областьпространства-времени, из которой не может выйти никакая информация о физическихпроцессах, происходящих внутри неё.

Временные туннели?

Известнытрудности, связанные с межзвездными перелетами. В ряде теоретических работпоказана возможность существования туннелей, соединяющих любые отдаленныеобласти Метагалактики или различные мини-вселенные в Большой Вселенной.Система из двух туннелей, обеспечивающая движение вещества и излучения в любомнаправлении, для внешнего наблюдателя будет весьма сходнойс двойной системой, состоящей из черной и белой дыры.

Черезаналог черной дыры возможен проход из одной части нашей Вселенной в другую еечасть или в другую вселенную. Через аналог белой дыры возможен доступ к нам.Идея применения топологических туннелей использована в романе известногоамериканского астрофизика К. Сагана «Контакт».

Эргосфера

Какпоказывают расчёты, у вращающейся чёрной дыры вне её поверхности должнасуществовать область, ограниченная поверхностью статического предела, то естьэргосфера. Сила притяжения со стороны чёрной дыры, действующая на неподвижноетело, помещенное в эргосферу, обращается в бесконечность. Однако эта силаконечна. Любые частицы, оказавшиеся в эргосфере, будут вращаться вокруг чёрнойдыры. Наличие эргосферы может привести к потере энергии вращающейся чёрнойдыры. Это возможно, в частности, в том случае, если некоторое тело, влетев вэргосферу, распадается (например, в результате взрыва) около поверхности чёрнойдыры, на две части, причём одна из них продолжает падение на чёрную дыру, авторая вылетает из эргосферы. Параметры взрыва могут быть такими, что энергиявылетевшей из эргосферы части больше энергии былого тела. Дополнительнаяэнергия при этом черпается из энергии вращения чёрной дыры. С уменьшениеммомента её вращения поверхность статического предела сливается с поверхностьючёрной дыры и эргосфера исчезает. Быстрое вращение коллапсирующего телапрепятствует образованию чёрной дыры вследствие действия сил вращения. Поэтому чёрная дыра не может иметьмомент вращения больший некоторого экстремального значения.

Метаморфозы чёрных дыр

Как показывают квантово механические расчёты, в сильномгравитационном поле чёрных дыр могут рождаться частицы — фотоны, нейтрино,гравитоны, электрон-позитронные пары и др.; в результате она излучает какчёрное тело с эффективной температурой даже тогда, когда никакоевещество на неё не падает. Энергия этого излучения черпается из энергии гравитационногополя чёрной дыры, что со временем приводит к уменьшению её массы. Однако из-занизкой эффективности процессы квантового излучения несущественны для массивныхчёрных дыр, возникающих в результате коллапса звёзд. На ранних (горячих исверхплотных) этапах развития Вселенной в ней из-за неоднородного распределениявещества могли образоваться чёрные дыры с различной массой — от 10¾5г до массы Солнца и больше. В отличиеот чёрных дыр — сколлапсировавших звёзд, эти чёрные дыры получили название первичных.

Процессы квантового излучения уменьшают массу чёрной дыры, ик настоящему времени все первичные чёрные дыры с массой меньше 1015 г должны были «испариться».Интенсивность и эффективная температура излучения чёрной дыры увеличиваются суменьшением её массы, поэтому на последней стадии (для массы порядка 3.109г) «испарение» чёрной дырыпредставляет собой взрыв с выделением 1030 эрг за 0,1 сек. Первичныечёрные дыры, массой большей, чем 1015 г остались практически неизменными. Обнаружение первичных чёрныхдыр по их излучению позволило бы сделать важные выводы о физических процессах,протекавших на ранних стадиях эволюции Вселенной.

Поискичёрных дыр во Вселенной представляют собой одну из актуальных задач современнойастрономии. Предполагается, что чёрные дыры могут быть невидимыми компонентаминекоторых двойных звёздных систем. Однако этот вывод не достоверен, т.к. однаиз звёзд двойной системы, будучи нормальной звездой, может оказаться невидимойна фоне более сильного свечения второй компоненты. Другой нахождения чёрнойдыры в двойных системах основывается на изучении свечения вещества, котороеперетекает к ней с соседней (обычной) звезды. Вблизи чёрной дыры изперетекающего вещества образуется диск, его слои движутся вокруг чёрной дыры сразличными скоростями.

<img src="/cache/referats/13481/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1033"> Из-затрения между соседними слоями вещество в диске нагревается до десятковмиллионов градусов, и внутренние области диска излучают энергию в рентгеновскомдиапазоне электромагнитного спектра (Излучение черных дыр не может покинутьчерные дыры — оно “заперто” гравитацией). Аналогичное излучение будетрождаться и в том случае, если на месте чёрной дыры в двойной системе будетнаходиться нейтронная звезда, но последняя не может иметь массу большенекоторого предельного значения. В результате космических исследований открытобольшое число источников рентгеновского излучения в двойных звёздных системах. Черные дыры можно обнаружить лишь по косвенным данным.

Найдена ли уже чёрная дыра?

Ученые твердо верят в то, что черные дыры действительно существуют.Общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказывала возможностьсуществования подобных объектов еще в 1917 году, а за последние десятилетияастрономы обнаружили множество свидетельств их присутствия во многих областяхкосмического пространства.

Известно более 5 объектов, в состав которых, вероятно, входятчерные дыры. Тем не менее, есть только косвенные подтверждения, но нетнеопровержимых доказательств. Наиболее вероятным кандидатом в чёрные дырыявляется рентгеновский источник Лебедь Х-1, обнаруженный в начале 1970-х годовв Х-бирнарных системах. Масса источника в этой системе, которую можно оценитьиз наблюдаемой скорости движения оптической звезды по орбите и законов Кеплера,превышает предельное значение массы для нейтронной звезды.

Рентгеновское изображение галактик“Антенны”, полученное “Чандрой”. © NASA/SAO/CXC/G. Fabbiano etal.

Может XTE J1118+480 и есть та самая чёрная дыра?

Данныеиз Цифрового обзора неба DSS, созданного Институтом Космического телескопа,сыграли важную роль в открытии древней черной дыры, движущейся черезгалактические окрестности Солнца. Эта черная дыра в паре с небольшойзвездой-компаньоном, чье вещество она поглощает, движется по вытянутой орбите,пересекая дальние области Млечного Пути. Ученые предполагают, что черная дыраявляется остатком массивной звезды, завершившей свое существование миллиардылет назад и благодаря гравитационным эффектам выброшенная из родного звездногоскопления.

Исследовавшийсяобъект носит обозначение XTE J1118+480, он был обнаружен при наблюдениях нарентгеновском спутнике “Росси-ХТЕ” 29 марта 2000 года. Позднее оптические ирадионаблюдения позволили определить, что расстояние до него составляет 6000световых лет.

Какизвестно, большинство звезд Млечного Пути находятся в тонком галактическомдиске. Однако некоторая часть звезд содержится в шаровых скоплениях, состоящихиз сотен тысяч старых звезд и движущихся по орбитам, выходящим за пределыгалактической плоскости. Орбита XTE J1118+480 похожа на орбиты шаровыхскоплений, а скорость, с которой происходит движение, составляет 145 км/сотносительно Солнца.

Звезда,ставшая родителем черной дыры в XTE J1118+480, возможно, сформировалась вшаровом скоплении еще до того, как появился диск Галактики. На большой возрастчерной дыры указывает и то, что звезда-компаньон, вещество которой дырапоглощает, потеряла почти всю свою массу, которая теперь составляет не болеетрети массы Солнца. Ученые полагают, что захват звезды-компаньона произошел ещедо выброса черной дыры из скопления.

Относительнаяблизость к Солнцу позволила астрономам при помощи сети радиотелескопов VLBAопределить параметры движения черной дыры. Наблюдения на VLBA проводились в маеи июле 2001 года, при этом в полную силу использовалась высочайшая разрешающаяспособность сети для обнаружения смещения объекта относительно более удаленныхнебесных тел.

Хотя несколько “среднемассивных” черных дырбыло обнаружено ранее, теперь появилась возможность наблюдать большоеколичество подобных объектов и выяснить их связь с формированием звезд иобразованием гораздо более массивных черных дыр. На конференции Американскогоастрономического общества три независимых группы сообщили о десяткахрентгеновских источников, обнаруженных в галактиках с высоким темпомзвездообразования. Эти источники имеют точечный вид и в десятки тысяч раз ярчеподобных источников, открытых в нашей Галактике и галактике М81.

Гипотеза Лапласа

Первымчеловеком, предположившим существование чёрных дыр, был Симон-Пьер де Лаплас,который, изучая теорию тяготения, выдвинул гипотезу о существовании объектов,движущихся со скоростью, превышающей скорость света. Учёный предполагал, чтосуществует тело, скорость которого настолько высока (около 300 000 км/с), чтосвет не может излучаться с его поверхности.

Работы Хоукинга

Стивен Хоукинг, несмотря на своютрудную жизнь, омрачённую лишением дара речь и полную неподвижность, написалмного трудов, в том числе связанных с попытками объяснить физические основы теории Большого взрыва,распознаванием чёрных дыр и значительной деформацией пространства и временивнутри них.

Одиниз самых интересных фактов, выдвинутых Хоукингом, был о том, что чёрные дыры неполностью «чёрные», а могут выбрасывать излучение благодаря квантовымэффектам до собственного исчезновения или взрыва.

Заключение

Много интересного можно узнать очёрных дырах, занимаясь их изучением вплотную. В безднах Вселенной так многовсего нового и неизвестного, что будетизучаться, я думаю, ещё долгое время.

Есть уверенность, что сусовершенствованием техники мы сможем когда-нибудь узнать, опровергнуть илидоказать сегодняшние предположения и гипотезы, которые люди высказывали сотнилет назад.

Правильно сказал Дж. Друно:«Умственная сила никогда не успокоится, никогда не остановитсяна познанной истине, но все время будет идти вперед и дальше, к непознаннойистине».

Использованнаялитература:

1.

Зубков Б.В., Чумаков С.В. «Энциклопедия юного техника»«Педпгогика»; М., 1988.

2.

Аза Бриггс, Ангус Холл «Когда? т Где? Как? и почемуэто произошло?»1993;

3.

Рандзини Дж. Справочник «Космос». – М., «Росмен»2000.

www.ronl.ru

Доклад - Черные дыры - Астрономия

Государственное общеобразовательное учреждение

среднего (полного) образования

школа №643.

Реферат

по астрономии

“Черные дыры”

Выполнил ученик

11 класса “Б”

Гришуль Евгений.

(aka [email protected])

Проверила учительница

физики и астрономии

Балабанова М. В. .

Санкт-Петербург

2003 г. Оглавление:

TOCo«1-3» hzuI Вступление.PAGEREF _Toc41423694 h 2

Введение.PAGEREF _Toc41423695 h 2

II Основная часть.PAGEREF _Toc41423696 h 3

Черная дыра – как последняя стадия эволюции звезд.PAGEREF _Toc41423697 h 3

Обнаружение черных дыр.PAGEREF _Toc41423698 h 4

Математическое описание.PAGEREF _Toc41423699 h 7

Тесные двойные системы.PAGEREF _Toc41423700 h 8

Гравитационные волны.PAGEREF _Toc41423701 h 10

Разрушение звезд.PAGEREF _Toc41423702 h 15

Черные дыры нагревают межгалактическое пространство.PAGEREF _Toc41423703 h 17

Черная дыра может быть и “белой”.PAGEREF _Toc41423704 h 18

Дыра во времени.PAGEREF _Toc41423705 h 20

Небесная механика черных дыр.PAGEREF _Toc41423706 h 22

Суперрадиация.PAGEREF _Toc41423707 h 24

III Заключительная часть.PAGEREF _Toc41423708 h 25

Заключение.PAGEREF _Toc41423709 h 25

Использованные источники.PAGEREF _Toc41423710 h 26

IВступление.

Введение.

Одними из самых загадочных объектовво вселенной являются черные дыры. Я не случайно выбрал эту тему. Черные дырыявляются одновременно очень простыми и очень сложными в понимании. Черная дыраявляется порождением тяготения.Их тяжело изучать, т.к. они в данный моментвремени недосягаемы для нас, но по расчетам математиков о них можно судить.Даже изучение этих объектов на расстоянии давалось с трудом (пока на орбиту невзошли рентгеновские обсерватории). Ведь свет не может покинуть горизонтсобытий черной дыры, поэтому об их существовании можно было судить только помощному воздействию на окружающую материю. Поэтому в видимом спектре излучениятакие объекты обнаружить нельзя. Это были сложности черных дыр. К простымчертам этих объектов можно отнести то что они не имеют химического состава иописываются только математическими законами гравитации Эйнштейна.Удивительно, но такие экзотические объекты устроены даже проще чем звезды.Поверхности, в нашем понимании, у нее нету. Характеризуются эти объекты впервую очередь массой, во вторую – моментом количества движения, в третью –электрическим зарядом. Сам термин “черная дыра” был введен в науку ДжономУилером в 1968г для обозначения сколлапсировавшейся звезды. Еще Пьер СимонЛаплас в свое время уже догадывался о возможности существования таких объектов.Он писал: “Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотностиЗемли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-засилы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом,возможно, самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своейвеличины остаются невидимыми”. Основываясь только на законе тяготения Ньютона,Лаплас приходит к открытию того, что тела с огромной массой и повышеннойплотностью не позволят излучению покидать их поверхность. Это было предвидениемчерных дыр. Однако реальные характеристики черных дыр отличны от лапласовских,так как они определяются теорией относительности Эйнштейна, уточняющей теорию Ньютона.

IIОсновнаячасть.

Черная дыра – как последняя стадия эволюции звезд.

После выгорания термоядерного вещества взвезде, масса которой сравнима с массой солнца, то свойства газа кардинальноменяются. Подобный газ называется вырожденным, а звезды, которые состоят изнего – вырожденными звездами (в середине 20х годов итальянский физик ЭнрикоФерми разработал теорию, которая описывает свойства газов с плотностями,характерными для белых карликов. Давление такого газа не зависит от температуры.Оно остается высоким, даже если тело охладить до абсолютного нуля. Газ,обладающий такими свойствами получил название вырожденного. Эта теория хорошообъясняла наблюдаемые свойства белых карликов, поэтому их стали называтьвырожденными звездами). После образования вырожденного ядра, горениепродолжается в источнике вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звездапереходит в состояние, называемое красным гигантом. Оболочка такого гигантадостигает колоссальных размеров – в сотни радиусов солнца и за время 10-100тысяч лет рассеивается в пространство. Сброшенная оболочка видна какпланетарная туманность. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает, звездапревращается в белый карлик. Средняя плотность вещества белого карлика – 109 кг/м3.Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счетмедленного остывания. Основной запас энергии белого карлика – колебательныедвижения ионов, которые при температуре нижу 15000K образуют кристаллическую решетку. Убелых карликов есть предел массы(граница Чандрасекара, равная 1,4 массыСолнца), при превышении которого звезда превращается в нейтронную звезду (еслиона именно сколлапсирует, а не сбросит оболочку). В ходе коллапса резкоповышается плотность вещества, протоны и электроны объединяются за счет мощногодавления, и образуются нейтроны. Освободившуюся энергию в основном уносятнейтрино. Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывновозрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадратурасстояния. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, придостаточной массе, приближаясь к скорости света. Коллапс обычно останавливаетсяпри плотности ~ 1017 кг/м3, либо выделившаяся энергияразрушает дыру, то есть коллапс перерастает во взрыв. Большинство нейтронныхзвезд образуются при коллапсе звезд с массой более 10 M๏

.Так как размеры звезды сильно сокращаются, то по закону сохранениявращательного импульса, резко возрастает частота вращения вокруг оси. Еслимасса нейтронной звезды больше 3 M๏ (пределОппенгеймера-Волкова), то звезда коллапсирует еще дальше – образуется чернаядыра (маломассивная). Звезды с массой меньше 8 M๏оканчивают жизнь как белые карлики, между 8 и 45 M๏ — как нейтронные звезды; черныедыры образуются только из звезд массивнее 45 M๏. В типичнойгалактике типа нашей должно быть порядка 107– 108 черных дыр звездных масс.

Время гравитационного коллапса звездыразмером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактнойнейтронной звезды – только 1/20 000 секунды.

Обнаружениечерных дыр.

Какизвестно, черные дыры нельзя обнаружить при помощи непосредственных наблюдений.Их можно обнаружить по мощному воздействию на окружающую материю и порентгеновскому излучению, испускаемому веществом при аккреции. Не редковстречаются пары – массивная звезда и черная дыра по соседству. Первый кандидатна такую модель – пара обнаруженная в начале 70х годов. Здесь вращаются горячаяголубая звезда, и, по всей вероятности, черная дыра, массой в 16 M๏

. Другая пара(v404) имеет невидимую массу в 16 M๏.Еще одна подозреваемая пара – ренгеновский источник LMCX9 в 9 M๏,находится в Большом Магеллановом облаке. Все эти случаи хорошо объединяются врассуждения Джона Мишела о “темных звездах”:”Если звезда вращается вокругневидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этоговращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этогоцентрального тела”. Два итальянских астронома, Луиджи Стелла и Марио Виертри,на основе данных, полученных со спутника RXTE, открыли искривление пространства вокруг нейтронной звезды,правда очень слабое. Уже создается спутник “GravityProbeB”, который специальноприспособлен для исследования теории относительности. Измерения параметровдвижения в центральной области нашей галактики вели1992 по 1998 год сотрудникиинститута внеземной физики имени Макса Планка в Гаршинге(в Германии) подруководством А. Эскарта. Они определяли скорость перемещения звезд с помощьюспециального спектрометра. Оказалось, что с наибольшей скоростью движутся тезвезды, которые расположены поблизости от объекта Стрелец А, который и раньшеотносили к семейству черных дыр. У звезд, удаленных от него всего лишь на 5световых суток, скорость обращения вокруг центра превышает 1000 км/с.Вычисления показали, что что подобное движение может наблюдаться лишь в томслучае, если в центре галактики находится объект, масса которого составляет 2,6млн. масс солнца, а плотность такая, как если бы 2 триллиона солнц “втиснуть” водин кубический световой год. Такими свойствами может обладать лишь чернаядыра, существующая порядка миллиона лет. О сходных результатах сообщила наконференции Американского астрономического общества А.М.Гез. Вместе со соимиколлегами она вела наблюдения в том же инфракрасном диапазоне частот(2мкм), чтои Эскарт, но на более мощном 10-метровом телескопе имени Кека на горе Мауна-Кеана Гавайских островах. Они установили, что звезды, расположенные к центругалактики вдвое ближе, чем наблюдавшиеся немецкими астрономами, движуться соскоростью 3000 км/с. По мнению Гез, такую скорость может вызвать только чернаядыра с массой 2,7 миллионов солнечных. При таких огромных величинах выводыобеих групп можно считать почти идентичными. Итак, в центре нашей галактики, повсей видимости, также находится черная дыра. Массивные черные дыры в нашей исоседних галактиках должны быть уменьшенными версиями тех сильно нестационарныхявлений, что наблюдаются в активных галактических ядрах. Но последние слишкомдалеки, чтобы можно было проводить спектроскопическое исследование их динамики.Однако, оценки их светимости и теоретические ограничения на эффективность энерговыделенияв сильных гравитационных полях показывают, что центральные темные массы тамзаключены в пределах 107-109 M๏.Переменность излучения на малых временах также свидетельствует о малых размахизлучающих областей; многие активные ядра сильнопеременны на временных шкалахпорядка часа, что ограничивает область излучения масштабом светового часа. Атакие большие массы в таких малых объемах не могут быть скоплениями звезд,потому аккрецирующие массивные черные дыры остаются единственным приемлемымобъяснением. Несколько лет назад группа американских и японских астрономовнаправила свой телескоп на созвездие гончих псов, на находящуюся там спиральнуютуманность M106. Этагалактика удалена от нас на 20 млн. световых лет, но ее можно увидеть даже слюбительского телескопа. Долгое время многие считали, что она такая же, как идругие галактики. При внимательном изучении оказалось, что у этой туманностиесть одна особенность – в ее центральной части существует природный квантовыйгенератор – мазер. Это газовые облака, в которых молекулы газа благодаря,излучают радиоволны. Мазер позволяет точно определить свое местоположение искорость облака, а в итоге и других небесных тел. Японский астроном МанотоМионис и его коллеги во время наблюдения туманности М106 обнаружили странноеповедение ее мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра,удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтересовала скорость этоговращения – ближние слои (к черной дыре) облаков двигались со скоростью ~1110км/с. Это говорит о том, что в центре сосредоточена огромная масса. По расчетамона оказалась равной 36 миллионам солнечных! Астрономы отбросили предположение,что такая масса вызвана скоплением звезд, достаточно тесно расположенных друг кдругу, т.к. из-за своего движения они слиплись бы. Осталось наиболее верноепредположение – такая масса вызвана наличием черной дыры. Американским ученымудалось зафиксировать рентгеновское излучение от супермассивных черных дыр,которые до недавнего времени считались тихими. Эти дыры существуют в центрахсамых старых и самых массивных галактик и имеют массу, сравнимую с массоймиллиардов солнц, сжатую до размеров солнечной системы. В то время, когданаибольший процент черных дыр излучают рентгеновские потоки, большинствомассивных черных дыр рентгеновским излучением не обладают. Последние наблюденияпоказали, что “тихие” супермассивные черные дыры присутствуют во всехгалактиках, в том числе и в нашей, и могут стать ключом в вопросе пониманияпроисхождения вселенной.

С помощью космического спектрографаХаббла удалось запечатлеть “автограф” сверхмассивной черной дыры, расположеннойв центре галактики М84. Несмотря на то, что гравитация не позволяет светупокинуть окрестность черной дыры, ее присутствие можно обнаружить по падающемупо спирали с огромным ускорением на поверхность черной дыры межзвездномувеществу, скорость которого (определенная по эффекту Доплера), составляетпримерно 380 км/с на расстоянии 26 световых лет от центра М84.

Два астронома из университета Дарэма(Великобритания) д-ра Кристин Дон и Марек Гирлински представили для публикациив ежемесячном вестнике Королевского астрономического общества статью, в которойони обосновывают существование в космосе «настоящих» черных дыр, тоесть объектов, не имеющих поверхности в обычном понимании этого слова. Дон иГирлински провели исследования целого ряда известных горизонтов событий, чтобыопределить разницу между объектами, которые считаются черными дырами инейтронными звездами. Любая материя, захваченная мощным гравитационным полемлюбого из этих объектов, начинает двигаться по спирали к их центру, достигаяпри этом скорости, равной половине скорости света, и преобразуя частьгравитационной энергии в рентгеновское излучение. То есть тут все происходитодинаково. В случае «настоящей» черной дыры материя должна простонавсегда сгинуть в этой дыре, унеся туда оставшуюся у нее энергию, а в случаенейтронной звезды материя падает на ее поверхность, и при этом выделяетсяоставшаяся у этой материи энергия. Поэтому рентгеновское излучение нейтронныхзвезд и «настоящих» черных дыр должно выглядеть по разному. Дон иГирлински в своих выводах опирались на данные, полученные космическимрентгеновским телескопом Rossi X-ray Timing Explorer за 6 лет наблюдений. Иоказалось, что спектры рентгеновского излучения нейтронных звезд и черных дырсильно отличаются, и отличаются они прежде всего наклоном огибающей спектра вкоротковолновой и длинноволновых областях рентгеновского диапазона длин волн.Авторы считают, что это отличие можно объяснить только тем, что нейтроннаязвезда имеет поверхность, а черная дыра — нет. Совсем недавно орбитальныйтелескоп, носящий имя американского астронома Хаббла, передал на Землюэпохальные снимки. Они показывают центр крупной галактики «Центавр-А»(NGC 5128), расположенной по космическим меркам недалеко от Земли — десятьмиллионов световых лет. Находящаяся там массивная черная дыра«заглатывает» маленькую соседнюю галактику. Специальная фотокамераотчетливо показала окружающий галактику NGC 5128 темный пояс из пыли сомножеством светящихся голубым цветом недавно рожденных звезд и пылевыхсгущений, погруженных в газовые облака. Снимки, сделанные в инфракрасных лучах,помогли астрономам заглянуть за пылевой занавес. Они открыли там изогнутуюшайбу горячего газа, которая всасывается в черную дыру. Этот пожиратель материиоказался очень компактным: он немного больше нашей солнечной системы и содержитмассу, равную одному миллиарду солнц.

Самым надежным доказательствомсуществования черных дыр стало бы обнаружение излучаемых ими гравитационныхволн. То, что гравитация способна распространяться подобно свету, известно сначала XX века, но до сих пор все попытки зафиксировать гравитационные волныоканчивались неудачей — слишком уж они слабы. Но техника постоянно совершенствуется,и сейчас в процессе создания находятся несколько гравитационных телескопов, какназемных, так и космических. Не исключено, что уже в первые годы работы ониобнаружат вспышки гравитационного излучения, сопровождающие рождение одиночнойдыры или слияние двух черных дыр.

Итак, имеются 3 способа обнаруженияэтих объектов:

1. Нужно проследить за обращением звезд в скопленияхвокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет,и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенносказать: в этой «пустоте» находится черная дыра. Именно по этому признакупредположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.

2. Черная дыра активно всасывает в себя материю изокружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звездпадают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобныйкольцу Сатурна. Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение иначинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерныйспектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне.И если из какой‑то области Вселенной приходит такое излучение, можнос уверенностью сказать – там должна быть черная дыра.

3. При слиянии двух черных дыр возникаетгравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет околодесяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационныхволн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу разбольше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за всевремя своего существования – пять миллиардов лет. Обнаружить гравитационноеизлучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других,которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российскихисследователей.

Эффект Доплера заключается в том, что линии в спектредвижущегося источника смещены на величину пропорциональную скорости приближенияили удаления от наблюдателя.

Математическоеописание.

Для любого астрономического объекта(планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, иливторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда егопокинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновскаятеория, согласно которой свет – это поток частиц (до теории электромагнитныхволн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частицможно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхностипланеты и кинетической энергии тела, «убежавшего» на бескончно большоерасстояние. Эта скорость определяется формулой V2=2GM/R, где M – масса космического объекта, R – егорадиус, G – гравитационная постоянная. Отсюда легко получается радиустела заданной массы (позднее получивший название гравитационный радиус — rg), при которомскорость убегания равна скорости света: rg=2GM/ c2.

Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом rg< 2GM/ c2, перестанетизлучать – свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.

Несложнорассчитать, что Солнце (его масса 2·1033 г) превратится вчерную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность еговещества при этом достигнет 1016 г/см3. РадиусЗемли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одногосантиметра.

Казалосьневероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до стольничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчелла и Лапласа более ста летсчитались чем‑то вроде математического парадокса, не имеющего физическогосмысла.

Строгоематематическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосевозможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварцшильд,проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получилинтересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном полемассивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (егорешение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = rg.

Точки,в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то естьособыми. Точки, расположенные на сферической поверхности радиусом rg,образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скоростисвета и за границей которой мы не сможем получить никакой информации.

Тесные двойные системы.

В космосе часто встречаются звездные пары,в которых одним компонентом является звезда-гигант (или сверхгигант), а вторым– маленькое компактное тело, которое может являться или черной дырой илинейтронной звездой. Имеются косвенные доказательства существования черных дырболее чем в 10 тесных двойных системах. Об их наличии свидетельствуетотсутствие проявлений твердой поверхности, характерных для нейтронных звезд, иналичие массы у невидимого компонента более 3 солнечных. Ее гравитационное полеможет оказаться достаточно сильным, чтобы срывать вещество с нормальной дыры.Газ начинает отделяться от внешних слоев звезды и падать на невидимый спутникпо спирали, причем сам газ будет доступен наблюдениям. Газ постоянноускоряется, его частицы постоянно взаимодействуют между собой – в результатегаз сильно разогревается и становится источником высокоэнергичного излучения вгамма и рентгеновском диапазонах. Следовательно, излучает не сама черная дыра,а газ на подходе к ней. Такое излучение невозможно принять с Земли, его непропустит атмосфера. Его регистрируют при помощи внеатмосферных приемниковрентгеновского излучения (космические обсерватории). Видимая звезда выдаетналичие своего невидимого партнера своим движением. Она обращается вокруг “пустого”места. Одним из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры является ярчайшийисточник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя – Лебедь Х-1. Газовый диск сгазовыми струями, излучающих рентген, огромная голубая звезда с массой не менее10 солнечных, кружащая вокруг рентгеновского источника – вот портрет далекойзвезда V 1343 всозвездии Орла, более известной как объект SS 433. До 1978г эта звезда не привлекала к себе особоговнимания. Открытия последовали в 1979-1980гг и продолжаются до сих пор.Наблюдая за звездой ночью, американским и итальянским астрономам удалосьобнаружить в спектре этой звезды 3 системы эмиссионных линий водорода и гелия.Кроме ярких основных и неподвижных линий имелись 2 системы линий, “гулявших” поспектру с периодом 163 дня. Эти смещения говорили о движении вещества в двухпротивоположных направлениях со скоростью, достигающей четверти скорости света~ 78000км/с. Детальные наблюдения показали, что SS 433 – тесная затменная система,период обращения которой равен 13,1 суток. Видимая голубая звезда имееттемпературу около 30000К и обладает светимостью, примерно в миллион разпревышающую светимость солнца. Она слишком велика, чтобы сохранить своюцелостность в поле тяготения очень компактной второй звезды, и поэтому с неепостоянно перетекает вещество на соседку, образуя аккреционный диск. Наличиерентгеновского излучения окончательно подтвердило наличие компактного тела(черная дыра или нейтронная звезда), ведь только при аккреции на них испускаетсярентгеновское излучение. Компактный источник окружен непрозрачным и очень яркимслоем плазмы с температурой в сотни тысяч градусов. Рентгеновские спектрыплазмы выявили мощнейшую ионизацию атомов железа, до гелие-водородоподобныхсостояний (т.е. вместо 26 электронов имеется только 1 или 2). Остальныевыбиваются со своих орбит ударами релятивистских электронов или рентгеновскимиквантами. Аккреционный диск раз в 13 дней затмевает звезду.

Другие рентгеновские источники в нашейгалактике считаются черными дырами на основании иных — например,спектроскопических — аргументов. К примеру, полагают, что гамма-излучение (сэнергиями более 100кэВ) внутренних частей аккреционного диска могло бысвидетельствовать о наличии черной дыры, а не нейтронной звезды, так как жесткоеизлучение отражалось бы поверхностью нейтронной звезды и охлаждало диск. Еслиэто действительно так, то многие «гамма — новые», в которых измерениемассы невозможно (из-за отсутствия оптической компоненты или иных сложностей),могут быть также хорошими кандидатами в черные дыры. Особенно это относится кНовой Орла 1992 года (Nova Aquila 1992) и источнику 1 E 17407-2942, у которыхнаблюдаются также радиовыбросы — «джеты». Эти«микроквазары», в которых идет как аккреция, так и выброс <img src="/cache/referats/20740/image003.jpg" v:shapes="_x0000_s1026"> вещества, демонстрируют интересную связь высокоэнергичных явлений на масштабахзвезд и галактик.

Гравитационные волны.

Теория тяготения Эйнштейна предсказала существованиегравитационных волн. Они подобны электромагнитным, которые являются быстроменяющимся электромагнитным полем, “оторвавшимся” от своего источника ираспространяющимся в пространстве с предельно большой скоростью — скоростьюсвета. Точно так же гравитационные волны являются изменяющимся гравитационнымполем, “оторвавшимся” от своего источника и летящим в пространстве со скоростьюсвета.

Известно, чтобы обнаружить электромагнитную волну,достаточно в принципе взять электрически заряженный шарик и наблюдать за ним;когда на него станет падать электромагнитная волна, шарик придет вколебательное движение. Но чтобы обнаружить гравитационную волну, одним шарикомне обойтись. Потребуется минимум два, помещенных на некотором расстоянии другот друга. При падении на них гравитационной волны шарики будут то несколькосближаться, то удаляться. Измеряя изменение расстояния между ними, можнообнаружить волны тяготения. Одним шариком не обойтись, т.к. если на шарик недействуют никакие посторонние силы, то он находится в поле гравитационной волныв состоянии невесомости. На шарике не ощущается никаких сил тяготения, ипоэтому невозможно обнаружить проходящую гравитационную волну. Два шарика,находясь на некотором отдалении, подвергаются воздействию поля чуть-чутьпо-разному, и между ними возникает относительное движение. Вот этоотносительное движение и можно измерить.

В случае электромагнитных волн для их обнаружения необязательно брать даже шарик — существуют разные типы электромагнитных антенн.В случае же гравитационных волн придуманы тоже разные конструкции гравитационныхантенн.

Но все выглядит относительно просто только теоретически.На самом деле в сколько-нибудь привычных для нас условиях возникающиегравитационные волны крайне слабы: они должны излучаться при ускоренныхдвижениях массивных тел. Но даже при движении небесных тел излучениегравитационных волн ничтожно. Так, при движении планет в Солнечной системеизлучается гравитационная энергия, равная мощности всего лишь сотниэлектрических лампочек. Хотя это число и может показаться большим по нашим земныммеркам, оно ничтожно по сравнению, скажем, с мощностью светового излученияСолнца, которое в 1023 раз больше. Попытки же создать лабораторныеизлучатели гравитационных волн пока и вовсе обречены на неудачу.

Скажем, можно сделать излучатель гравитационных волн ввиде быстро вращающегося стержня. Если взять стальную болванку длиной 20метров, массой 500 тонн и раскрутить ее до предела на разрыв центробежнымисилами (частота вращения при этом около 30 герц), то она будет излучать всего10-22 доли эрга в секунду.

Приведенные примеры показывают, насколько трудны попыткиобнаружения гравитационных волн. В прямых экспериментах на Земле эти волны покане обнаружены, хотя в разных лабораториях мира построены и строятся уже десяткигравитационных антенн, предназначенных для приема волн тяготения из космоса. Некоторыеастрономические наблюдения прямо показывают, что гравитационные волныизлучаются при движении небесных тел. При движении планет или, например,движении звезд в двойных звездных системах излучаются гравитационные волны,уносящие энергию. Эти потери энергии обычно очень малы. Но чем больше массадвижущихся небесных тел и меньше расстояние между ними, тем интенсивнееизлучение. Потери энергии в системе двойной звезды приводят к постепенномусближению звезд и уменьшению периода их обращения вокруг центра масс. Конечно,это происходит крайне медленно, и тем не менее с помощью специальных способовнаблюдения такое уменьшение периода в одном случае удалось зафиксировать,причем в точном согласии с предсказаниями теории Эйнштейна.

Вернемся к движению тела вокруг черной дыры по круговойорбите. При этом будет происходит излучение гравитационных волн и постепенноеуменьшение радиуса орбиты. Так будет продолжаться до тех пор, пока радиус непримет критического значения трех гравитационных радиусов. На меньшихрасстояниях движение уже неустойчиво. Следовательно, тело, достигнувкритической орбиты, сделав еще несколько оборотов и излучив некотороеколичество энергии, свалится с этого расстояния в черную дыру.

Какое общее количество энергии излучит тело в видегравитационных волн за все время, пока оно двигалось вокруг черной дыры поокружности с медленно уменьшающимся радиусом? Излучение происходит, как мывидели, крайне малоинтенсивно, но сам процесс этот длится чрезвычайно долго!Таким образом, полное количество излученной энергии будет велико. Известно, чтопри ядерных превращениях, например, водорода в гелий или в еще более тяжелыеэлементы, определенная доля массы превращается в энергию. Максимально во всехвидах реакций эта доля может составить около одного процента. В случае жеизлучения гравитационных волн при движении вокруг черной дыры излучаетсяэнергия в шесть раз больше!

Гравитационные волны крайне слабо взаимодействуют свеществом. Поэтому выделяющуюся в виде гравитационных волн энергию очень трудноуловить и использовать для практических нужд.

Академик В.А. Фок был первым,кто обратил внимание на возможность использования астрофизических катастроф какисточника мощного гравитационного излучения (1948).Согласно современнымрасчетам, при слиянии двух нейтронных звезд излучается около 1045 Джв виде всплеска гравитационного излучения, то есть около 1% от полной энергии(Е = mc2) двух звезд. Гравитационная волна растягивает исжимает пространство. Если в ее поле есть две разнесенные системы координат, товолна вызывает их относительное колебательное движение. У гравитационной волнывозможны две поляризации. В первой волна в течение полупериода сжимается повертикали и растягивается по горизонтали, в следующий полупериод — наоборот.Вторая возможная поляризация сдвинута на 45° по отношению к первой. В настоящеевремя ведутся поиски гравитационных волн длиной от размера Вселенной донескольких метров, иными словами, в диапазоне частот от 10-16 до 108 Гц,то есть частотный диапазон поисков перекрывает более чем 20 порядков. Хорошаячувствительность уже достигнута или планируется в интервале частот от 10 до 104 Гц,или на длинах волн от 30 тыс. км до 30 км. На этот диапазон рассчитаны проектыLIGO и VIRGO. На более низкие частоты — от 10-1 до 10-4 Гцгравитационного излучения (длины волн порядка расстояния от Земли до Солнца) — нацелен проект LISA - лазерная космическая антенна, которая, надеюсь,будет запущена в недалеком будущем.

Проект LIGO (Laser InterferometerGravitational wave Observatory) — лазерная интерферометрическаягравитационно-волновая обсерватория — изначально национальный проект США.Проект VIRGO носит латинское название с

www.ronl.ru

Доклад - Черные дыры - Астрономия

С О Д Е Р ЖА Н И Е

1.

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………….3

2.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ………………………………………………………………………...5

3.

ДРУГИЕ ТИПЫ ЧЕРНЫХ ДЫР

3.1. Вращающиеся черные дыры……………………………………………………...11

3.2. Черные дыры с электрическимзарядом…………………………………….13

4.

В ПОИСКАХ ЧЕРНЫХ ДЫР…………………………………………………..16

5.

КАНДИДАТЫ НА РОЛЬ ЧЕРНЫХ ДЫР………………………………19

6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………21

7.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………...……………23

В В Е Д Е Н ИЕ

…черные дыры – это самыесовершенные

макроскопические объекты воВселенной.

Ведь для их построения достаточно поня- тий о времени и пространстве. С. Чандрасекар

В последнее время внимание астрономовпривлекло одно из самых странных в мире открытий. В соответствии с общейтеорией относительности в космосе должны существовать объекты, которые обладаютстоль сильными гравитационными полями, что планеты, звезды, астероиды и другиелюбые тела, затянутые в них, просто разрушаются. Еще более странно то, что,попав в такое поле, никто и ничто не может оттуда выбраться и перестаетсуществовать в нашей Вселенной. Такие объекты называют черными дырами[1]

Рис. 1. Возможно, так выглядит черная дыра в космосе. Скопление звезд около нее — оптическая иллюзия, вызванная сильным искривлением пространства в окрестности дыры

В последние годы проблема черных дырвызывает огромный интерес, хотя сама идея не нова, ей уже около 200 лет.Английский астроном Джон Митчелл еще в 1784 году доказал, что если масса звездыбудет достаточно велика, то свет не сможет покинуть ее, т. е. для нас она будетневидима. Через несколько лет к такому же выводу пришел французский ученый ПьерЛаплас.

Обнаружение черных дыр изумило научнуюобщественность и побудило известного американского физика-теоретика К. Торнанаписать следующие строки: «Из всех измышлений человеческого ума, от единорогови химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое – это образ чернойдыры – отделенной от остального пространства определенной границей, которуюничто не может пересечь; дыры, обладающей настолько сильным гравитационнымполем, что даже свет задерживается его мертвой хваткой; дыры, искривляющейпространство и тормозящей время. Подобно единорогам и химерам, черная дыракажется более уместной в фантастических романах или в мифах древности, чем вреальной Вселенной. И, тем не менее, законы современной физики фактическитребуют, чтобы черные дыры существовали»[2]

Черные дыры должны играть значительнуюроль во Вселенной. Так, по предварительным подсчетам, только в нашей Галактикенасчитывается около миллиарда черных дыр. Предполагают, что в центрах шаровыхскоплений звезд, а также в центре Галактики находятся черные дыры. Естьгипотезы, согласно которым необычно высокое излучение квазаров и так называемыйпарадокс масс объясняются влиянием черных дыр. И вообще астрофизики все чащеначинают объяснять различные загадочные космические явления действием черныхдыр.

Не исключено, что черные дыры могутактивно влиять и на дела земные. Эти экзотические космические тела могут«подсказать» людям принципиально новые источники энергии. Так, например, при падениивещества в черную дыру на единицу массы выделяется энергия, имеющая величину напорядок большую, чем в ядерных реакциях. Или другой пример, связанный сэффектом испарения черных дыр. Этот эффект имеет существенное значение длямикрочерных дыр, характеризующихся мизерными размерами (порядка размеровэлементарных частиц и меньше), но довольно ощутимой по земным масштабам массой(около 1 млрд. т.). На последней стадии испарения, когда масса черной дырыстановится равной примерно 1 тыс. т., за одну десятую доли секунды выделяетсяэнергия, равная энергии взрыва миллиона мегатонных термоядерных бомб!

Пока еще трудно конкретно что-либо сказатьо практических путях использования энергии черных дыр. Не исключено, что вбудущем черные дыры смогут послужить человечеству не только как самые мощные икомпактные источники энергии, но и как наиболее экологически чистые,поглощающие отработанное вещество.

Физика и астрофизика черных дыр получилиширокое признание научной общественности. Им посвящено множество статей,десятки монографий, проблемы черных дыр активно обсуждаются на научныхконференциях. Фактом признания важности этих проблем для науки в целом былоприсуждение в 1983 г. Нобелевской премии американскому ученому С. Чандрасекару за цикл работ по эволюциизвезд[3]

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Черныедырыявляются абсолютно поглощающими объектами: они только вбирают в себявещество и излучение, но ничто, даже свет, не может вырваться из них. Чёрныедыры образуются в результате коллапса гигантских звёзд массой более трёх массСолнца.

Джон Мичел в1783 г. представил в журнал «Философские труды ЛондонскогоКоролевского общества» свою работу, в которой он указывал на то, что достаточномассивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное поле,что свет не сможет выйти за его пределы: любой луч света, испущенныйповерхностью такой звезды, не успев отойти от нее, будет, втянут обратно еегравитационным притяжением[4]

.Мичел считал, что таких звезд может быть очень много. Несмотря на то, что ихнельзя увидеть, так как их свет не может до нас дойти, мы, тем не менее, должныощущать их гравитационное притяжение. Подобные объекты называют сейчас чернымидырами, и этот термин отражает их суть: темные бездны в космическомпространстве.

Чтобы понять, как возникает черная дыра,надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезды.

В первой половине ХХ в. были заложены основы теории эволюции звезд исделан вывод о том, что конечным продуктом их эволюции могут быть объекты,имеющие размеры своего гравитационного радиуса, а именно — черные дыры.

Звездные объекты в своей эволюции проходяттри качественно различные стадии:протозвезды – звезды – постзвезды. На каждой стадии происходит необратимаяпотеря энергии. Звезды образуются из так называемых протозвезд, которым предшествуют сжимающиеся облака вещества[5]

Когда сжимающееся облако станетнепрозрачным для своего инфракрасного излучения, его излучательность резкоуменьшится. Облако продолжает сжиматься, но несколько медленнее. Одновременнобольшая часть освобождающейся в результате сжатия потенциальной энергии идет нанагрев облака. Такой объект нельзя назвать облаком: это уже настоящая протозвезда(до-звезда).

Протозвезда – эмбрион, зародыш настоящейзвезды. Эмбриональный период в развитии звезды длится десятки миллионов лет. Втечение данного периода плотность протозвезды увеличивается, а температураповышается до уровня, достаточного для протекания термоядерных реакций в еецентральных областях.

В результате образования протозвезды издиффузного облака потенциальная гравитационная энергия переходит в тепловую,которая затем излучается. Протозвезда самопроизвольно не может стать облаком,так как необходимая энергия рассеяна. Нужен некоторый дополнительный источникэнергии, чтобы вещество протозвезды могло рассеяться в космическоепространство.

С началом протекания термоядерных реакцийзаканчивается эмбриональный период в развитии звездного объекта и наступаетпериод его активной жизни. Это и есть рождение звезды. В активный период, которыйдлится миллиарды лет, звезда излучает энергию за счет термоядерных реакций,протекающих в ее недрах. С образованием звезды прекращается процесс сжатия, таккак устанавливается равновесие между тепловым давлением вещества звезды игравитационным давлением, которое стремится сжать звезду. Наступает периодмедленной эволюции, постепенного выгорания ядерного горючего.

Запасы ядерного горючего в звезде хотя иогромны, но конечны. После исчерпания источника ядерной энергии звезда«умирает», образуется звездный «труп» — постзвезда.Под термином «постзвезда» понимаются космические объекты, являющиеся конечнымпродуктом эволюции звезд. В этот класс объектов входят белые карлики,нейтронные звезды, черные дыры, а также гипотетические гиперонные звезды и «пигмеи».

Звезда, исчерпавшая свое ядерное горючее,возможно, сразу и не образует черной дыры в результате прямого релятивистскогоколлапса. Если звезда невелика (меньше одной массы Солнца), коллапсрастягивается на миллионы лет, но для массивных звезд он происходит практическимгновенно. Ядро звезды начинает стремительно сжиматься, и меньше чем затысячную долю секунды звезда превращается в черную дыру. Вскоре после началасжатия происходит всплеск рентгеновского и гамма-излучения. Коллапс продолжается,и фотонам становится все труднее противостоять растущему притяжению. Фотоны, которые покидают поверхность под углом,имеют искривленную траекторию (как следует из общей теории относительности). Теже, которые улетают по траекториям, параллельным поверхности, остаются наорбите вокруг звезды, и через долю секунды не один фотон уже не может вырваться– звезда прошла то, что называется горизонтомсобытий[6]

. Мы уже не можем непосредственнонаблюдать ее; на томместе, где была звезда, видна только черная сфера.

Гало, вызываемое веществом, падающим в черную дыру

Горизонт событий (гравитационный радиус)

Сечение горизонта событий

Фотонная сфера

Рис. 2. Черная дыра «в разрезе». Показаны горизонт

событий и cингулярность в центре.

Однаковещество звезды продолжает коллапсировать и за горизонтом событий; более того, коллапспродолжается вечно, и, в конце концов, вещество сжимается до нулевого объема вцентре звезды. Этот центр называется сингулярностью[7]

.Следовательно, образование черных дыр для космической материи представляетсобой не формальную возможность, а является закономерным и неизбежным этапомэволюции.

УравнениеШварцшильда

В 1916 г., всего лишь через несколькомесяцев после того, как Эйнштейн опубликовал свои уравнения гравитационногополя в общей теории относительности, немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел ихточное решение, которое, как оказалось впоследствии описывает геометриюпространства-времени вблизи идеальной черной дыры[8]

.Это решение Шварцшильда описывает сферически симметричную черную дыру,характеризующуюся только массой.Породившая эту черную дыру гипотетическая умирающая звезда должна не вращатьсяи быть лишенной как электрического заряда, так и магнитного поля. Веществотакой умирающей звезды падает по радиусу «вниз» к центру звезды, и говорят, чтополучившаяся черная дыра обладает сферической симметрией. Такая шварцшильдовская черная дыра представляетсобой самый простой из всех возможных типов черной дыры. Она состоит изсингулярности, окруженной горизонтом событий на расстоянии 1 шварцшильдовскогорадиуса.

Для понимания того, что представляет собойчерные дыры, важное значение имеет так называемый гравитационный радиус. Размеры дыр характеризуются гравитационнымрадиусом, равным

Rg = 2GM/с2

где G – гравитационная постоянная:G = 6,67 * 10-11H * м2* кг-2; М – масса тела; с – скорость света в вакууме: с = 3,00 * 108 м * с-1.

Сфера, описанная гравитационным радиусом,называется сферой Шварцшильда[9]

.Она является особенной (сингулярной) поверхностью, на которой временнаякоордината обращается в нуль, а пространственная в бесконечность.Гравитационный радиус (а следовательно, и сфера Шварцшильда) задается одной переменной– массой, т.е. телу с определенной массой должен соответствовать конкретныйгравитационный радиус. Если взять любоетело и мысленно поместить его массу под сферу Шварцшильда, то тело сжимается иполучается черная дыра. Если же представить обратное: та же масса не сжимается, арасширяется под сферой Шварцшильда, то данный объект – белая дыра. Найтиестественные механизмы того, как тело может сжаться до гравитационного радиусаили оказаться под ним, — значит объяснить природу образования черных и белыхдыр во Вселенной.

Поверхность Шварцшильда задает особенностиповедения черной дыры для удаленного наблюдателя. Быстрое сжатие вблизи сферыШварцшильда для наблюдателя резко замедляется. Когда поверхность черной дырыприближается к сфере Шварцшильда, темп времени стремится к нулю, а силы – кбесконечности. Уравнение движения таково, что поверхность черной дыры достигаетсферы Шварцшильда за бесконечный промежуток времени. Но за очень короткое время(порядка 10-3с) для внешнего наблюдателя объектисчезает. Из черной дыры для данного наблюдателя не поступают никакие сигналы.Она себя никак не проявляет, за исключением гравитационного статического поля,и представляет собой односторонний «клапан».

Черные дыры известны в науке и под другиминазваниями: застывшаязвезда, гравитационная могила, коллапсар, флуктуар, отон[10]

.Во всех этих названиях нашли отражение различные свойства и особенности черныхдыр. Так, термин «застывшая звезда»отражает тот факт, что отдаленного наблюдателя процессы, происходящие на чернойдыре, очень замедляются, как бы застывают. Название «гравитационная могила» говорит о том, что космическая материя,оказавшаяся в черных дырах, якобы выходит из активных процессов развития, какбы умирает. В термине «коллапсар»нашел отражение процесс образования черных дыр, которые рождаются из веществазвезды в результате катастрофического гравитационного сжатия – релятивистскогоколлапса. В названии «флуктуар»переданы опосредованные особенности черных дыр, проявляющиеся себя черезфлуктуирующее (произвольно меняющееся) излучение окружающего их вещества.Термин «отон» обозначает болееширокий класс релятивистских объектов, предсказанных ОТО, в который кромечерных дыр входят еще белые и серые дыры.

Только в одном белые дыры подобны черным: и те и другие – дыры, вовсем остальном они различны. Белые дыры называют антиколлапсарами, так как в отличие от черных дыр они не сжимаются,а расширяются – антиколлапсируют. Если черная дыра – коллапсирующий отон, тобелая – антиколлапсирующий. Иногда белые дыры называют малыми взрывами (в отличиеот Большого Взрыва, который привел к возникновению и последующему расширениюнашей Метагалактики). Согласно одному из возможных вариантов образования белыхдыр, предложенному советским астрофизиком И.Д. Новиковым, они возникли врезультате задержки в так называемых ядрах части материи Большого Взрыва. Всвязи с этим белые дыры иногда называют задержавшимисяядрами.

Свойства черных и белыхдыр объединены в серых дырах. Так,серая дыра, антиколлапсируя и проявляя себя вначале как белая звезда, затемколлапсирует под гравитационный радиус и превращается в черную дыру. Приопределенных условиях это неоднократно повторяется, отон как бы колеблется,осциллирует, и в данном случае серая дыра называется осциллирующим отоном. При более детальном анализе серых дыр можновыделить светло- и темно-серые дыры. Но всем отонам присуще одно общее свойство– они являются дырами в пространстве-времени.

ДРУГИЕ ТИПЫ ЧЕРНЫХ ДЫР

Вращающиесячерные дыры

Черная дыра, о которой шла речь выше,относится к невращающимся. Однако большинство, если не все, звезды вращаются,и, следовательно, вращаются образовавшиеся из них черные дыры.

Мысль о том, что достаточно реалистическиемодели черных дыр должны обладать вращением, не нова. Однако целых пятьдесятлет после создания общей теории относительности во всех расчетах использовалосьтолько решение Шварцшильда. Все понимали, что нужно учитывать влияние вращения,но никто не мог правильно решить уравнения Эйнштейна. Собственно говоря, полноерешение уравнений гравитационного поля с учетом вращения должно зависеть отдвух параметров – массы черной дыры и момента количества движения дыры. Крометого, это решение должно быть асимптотически плоским, т. е. вдали от чернойдыры пространство-время должно становиться плоским. Но уравнениягравитационного поля настолько сложны математически, что никому не удавалосьотыскать ни одного точного решения, удовлетворяющего этим простым требованиям.

Решительный шаг вперед в этом направлении былсделан в 1963 г., когда Рой Керр, австралийскийматематик, работавший тогда в Техасскомуниверситете, нашел полное решение уравнений гравитационного поля вращающейсячерной дыры[11]

.Решение это сложнее предложенного Шварцшильдом, и соответственно сложнееповедение черной дыры. Впервые почти за полсотни лет после основополагающейработы Эйнштейна астрофизики получили, наконец, математическое описаниегеометрии пространства-времени, окружающего массивный вращающийся объект. В1975 году была доказана единственность решения Керра. Получение решения Керраявляется одним из важнейших достижений теоретической астрофизики середины ХХ в.

Как только наблюдатель приблизится кчерной дыре Керра, он начнет вращаться в том же направлении, что и эта дыра. Ичем ближе он к этой черной дыре, тем выше будет скорость вращения. Наопределенном расстоянии от оси вращения он обнаружит, что вращается соскоростью, близкой к световой. Та поверхность, на которой это произойдет,называется статическим пределом. Если же проникнуть за него, то можнообнаружить, что в такой черной дыре есть свой горизонт событий, и так же, как вслучае со шварцшильдовской черной дырой, форма у него сферическая. С другойстороны, поверхность, соответствующая статическому пределу, сплющена и соприкасаетсяс горизонтом событий только у полюсов. Область между этими поверхностяминазывается эргосферой[12]

Попав за горизонт событий, мы обнаружим сингулярность, хотя и отличную отпредыдущей – тут она имеет форму кольца. Есть и другое важное отличие. Эйнштейнпоказал, что в случае шварцшильдовской черной дыры, для того, чтобы пройтичерез связанную с ней кротовую нору, необходимо иметь скорость больше световой.В случае, рассмотренном Керром, скорость может быть меньше световой.

Рассмотрим подробнее коллапс вращающейсязвезды. Прежде всего, нам известно, что если звезда вращается, то по мересжатия она будет вращаться все быстрее в соответствии с законом сохранениямомента импульса. У коллапсирующей звезды, даже при небольшой скорости вращения(такой, как, например, у Солнца), к концу коллапса скорость возрастает настолько, что, не успев стать черной дырой, такая звезда разлетится. Для того,чтобы превратиться в черную дыру, звезда должна уменьшить скорость вращения, и,очевидно, со многими именно так и происходит. Поэтому логично предположить, чтобольшинство массивных звезд превращаются в черные дыры Керра.

Предсказаны еще два типа черных дыр.Возможно, в природе их нет, но теоретически они очень важны. Когда звездапревращается в черную дыру, почти все ее характеристики растворяются всингулярности. Мы никогда точно не узнаем ни ее температуру, ни состав: они утрачиваются припревращении звезды в черную дыру. Остаются только три характеристики: масса, момент вращения изаряд. Это и определяет существование четырех типов черных дыр. Кроме черныхдыр Шварцшильда и Керра существуют черные дыры Рейснера – Нордстрема(невращающиеся заряженные) и черные дыры Керра – Ньюмена (вращающиесязаряженные)[13]

В 1971 году английский теоретик РоджерПенроуз доказал, что из черных дыр, обладающих спином и (или) зарядом, можноизвлекать энергию[14]

.Если в эргосферу запустить, к примеру, шарик, то он разорвется. При этом частьего попадет за горизонт событий, тогда как другая окажется во внешнемпространстве, причем энергия этой части будет больше, чем у всего шарика,первоначально попавшего в эргосферу. Таким образом, из черной дыры Керра этапотеря энергии выразится в замедлении вращения.

Черныедыры с электрическим зарядом

Начиная с середины ХХ в. разработку теорииэлектромагнетизма, Джеймс Клерк Максвелл располагал большими количествамиинформации об электрическом и магнитном полях. В частности, удивительным былтот факт, что электрические и магнитные силы убывают с расстоянием в точноститак же, как и сила тяжести. И гравитационные, и электромагнитные силы – этосилы большого радиуса действия. Ихможно ощутить на очень большом удалении от их источников. Напротив, силы,связывающие воедино ядра атомов, — силы сильного и слабого взаимодействий –имеют короткий радиус действия. Ядерныесилы дают о себе знать лишь в очень малой области, окружающей ядерныечастицы.

Большой радиус электромагнитных сил означает, что физик, находясьдалеко от черной дыры, может предпринять эксперименты для выяснения, заряжена эта дыра или нет. Если у чернойдыры имеется электрический заряд (положительный или отрицательный) илимагнитный заряд (соответствующий серному или южному магнитному полюсу), тонаходящийся вдалеке физик способен при помощи чувствительных приборов обнаружитьсуществование этих зарядов. Таким образом, кроме информации о массе не теряетсятакже информация о заряде черной дыры.

Во время первой мировой войны Г. Райснер и Г. Нордстрём открылирешение эйнштейновских уравнений гравитационного поля, полностью описывающее«заряженную» черную дыру. У такой черной дыры может быть электрический заряд(положительный и отрицательный) и/или магнитный заряд (соответствующийсеверному или южному магнитному полюсу). Если электрически заряженные тела –дело обычное, то магнитно заряженные – вовсе нет. Тела, у которых естьмагнитное поле (например, обычный магнит, стрелка компаса, Земля), обладаютобязательно и северным и южными полюсамисразу. До самого последнего времени большинство физиков считали, чтомагнитные полюсы всегда встречаются только парами. Однако в 1975 году группаученых из Беркли и Хьюстона объявила, что в ходе одного из экспериментов имиоткрыт магнитный монополь[15]

. Если эти результаты подтвердятся, тоокажется, что могут существовать и отдельные магнитные заряды, т. е. чтосеверный магнитный полюс может существовать отдельно от южного, и обратно.Решение Райснера-Нордстрёма допускает возможность существования у черной дырымагнитного поля монополя. Независимо от того, как черная дыра приобрела свой заряд,все свойства этого заряда в решении Райснера-Нордстрёма объединяются в однухарактеристику – число Q.При этом геометрия пространства-времени в решении Райснера-Нордстрема независит от природы заряда. Он может быть положительным, отрицательным, соответствоватьсеверному магнитному полюсу или южному – важно лишь его полное значение,которое можно записать как |Q|.Итак, свойства черной дыры Райснера-Нордстрёма зависят лишь от двух параметров– полной массы дыры М и ее полного заряда |Q| (иными словами, от его абсолютной величины).

Чтобы проще подойти к пониманию особенностей решенияРайснера-Нордстрёма, рассмотрим обычную черную дыру без заряда. Как следует изрешения Шварцшильда, такая дыра состоит из сингулярности, окруженной горизонтомсобытий. Теперь представим себе, что мы придали этой черной дыре небольшойэлектрический заряд. Как только у дыры появился заряд, мы должны обратиться крешению Райснера-Нордстрёма для геометрии пространства-времени. В решенииРайснера-Нордстрёма имеются двагоризонта событий. Именно, с точки зрения удаленного наблюдателя, существуютдва положения на разных расстояниях от сингулярности, где время останавливаетсвой бег. При самом ничтожном заряде горизонт событий, находившийся ранее на «высоте» 1 швардшильдовского радиуса,сдвигается немножко ниже к сингулярности. Но еще более удивительно то, что сразу же вблизи сингулярности возникаетвторой горизонт событий. Таким образом, сингулярность в заряженной черной дыре окружена двумя горизонтами событий – внешним и внутренним[16]

Еслимы будем увеличивать заряд черной дыры, то внешний горизонт событий станетсжиматься, а внутренний – расширяться. Наконец, когда заряд черной дырыдостигнет значения, при котором выполняет равенство М = |Q|, оба горизонта сливаются друг сдругом. Если увеличить заряд еще больше, то горизонт событий полностьюисчезнет, и остается «голая» сингулярность. При М < |Q| горизонты отсутствуют, так чтосингулярность открывается прямо во внешнюю Вселенную. Такая картина нарушаетзнаменитое «правило космической этики», предложенное Роджером Пенроузом.

Всякий раз при пересечении горизонта событий пространство ивремя меняются ролями. Это значит, что в заряженной черной дыре из-за наличиядвух горизонтов событий полная смена ролей у пространства и времени происходитдважды.

В ПОИСКАХ ЧЕРНЫХ ДЫР

Объект, который по определению нельзявидеть, естественно, нелегко обнаружить. Как же астрономы собираются искатьчерные дыры?

Конечно, черную дыру нельзя увидеть спомощью любого доступного астрономам телескопа, начиная от радиотелескопов икончая g

-детекторами.Тем не менее, можно использовать косвенные методы, связанные с теми гравитационными эффектами, которыечерная дыра вызывает в окружающем веществе.

B <img src="/cache/referats/18330/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1035"> <img src="/cache/referats/18330/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1036"> <div v:shape="_x0000_s1034">

Рис. 3. В двойном рентгеновском источнике возникает рентгеновское излучение от диска аккреции вокруг компактной звезды В (черная точка). Диск образуется тем веществом, которое звезда В притягивает с поверхности своего спутника А. Стрелки указывают вращение двойной системы

Рис. 4. Пара звезд А и В, вращающихся вокруг их общего центра масс С. образует систему двойной звезды

Идеальными в этом смысле являются двойныезвезды. На рисунке показана пара звезд А и В, вращающихся друготносительно друга. В такой ситуации наблюдатель видит периодическое изменениеположения А и В в пространстве.Через определенный промежуток времени звезды А и В возвращаютсяв исходное положение. Такие пары звезд встречаются довольно часто и называются двойными звездами[17]

Предположимтеперь, что звезды А и В достаточно близки друг к другу в том смысле, чторазделяющее их расстояние не сильно превышает сумму их радиусов. Когда звездытак близки, каждая из них стремится оторвать часть вещества с поверхности своейсоседки.

Такое взаимодействие носит название приливного взаимодействия[18]

.Таким образом, когда звезда В оказывает приливную силу на звезду А, ближайшее кВ вещество звезды А начинает перетекать в направлении к В, и наоборот.

Представим теперь ситуацию, когда Аявляется звездой-гигантом, а В –черной дырой. Если предположить, что А достаточно близко к В, то вещество будетперетекать от А к В, но не наоборот. Дело в том, что из черной дыры невозможноизвлечь вещество. Вещество, отнятое у А, не попадает сразу в В, а вращаетсявокруг нее, пока постепенно не поглотится. Так происходит потому, что звезды Аи В вращаются друг относительно друга, следовательно, любое вещество,покидающее А, стремится вращаться вокруг В, а не попадать сразу на нее.

Такой непрерывный круговорот веществаобразует дискообразную структуру, которая может простираться вокруг черной дырыдо расстояний, равных нескольким шварцшильдовским радиусам. Так как падающее начерную дыру вещество представляет собой очень плотный и горячий газ, то этот газ начинает излучать, в основном,рентгеновское излучение. Ряд астрофизиков в 60-е годы разработали представлениео таком диске аккреции, окружающемчерную дыру в двойной системе[19]

.Благодаря недавно возникшей рентгеновской астрономии появились надежды наобнаружение черных дыр указанным способом.

При таком подходе возникает, однако,неопределенность. То, что было сказано до сих пор о черных дырах, относится и кнейтронным звездам. Если звезда В является нейтронной звездой, она так же будетобразовывать вокруг себя диск аккреции, испускающий рентгеновское излучение.

Таким образом, если мы обнаружимрентгеновский источник, связанный с двойной системой, в которой одна звездавидима, то все что мы можем сказать, это то, что другая звезда является либонейтронной звездой, либо черной дырой. Но как узнать, с чем мы имеем дело?

Именно здесь и следует вспомнить о пределена массу, равном 2Мo

,для стабильных нейтронных звезд. Если по наблюдениям движения видимыекомпоненты А мы можем определить массу ее компаньона В и если эта массаокажется меньше 2Мo,мы можем сделать вывод, что В является нейтронной звездой. Но если окажется,что масса В существенно больше 2Мo, есть основания полагать, что мы имеем дело с чернойдырой.

Дополнительной проверкой может статьрегистрация флуктуаций рентгеновского излучения от двойного источника. Чембыстрее флуктуации, тем меньше дискаккреции. Поскольку черные дыры более компактны, чем нейтронные звезды, ихдиски аккреции соответственно несколько меньше. Таким образом, от черной дырыследует ожидать возникновения очень быстрых вариаций рентгеновского излучения.

Помимо двойных систем, черные дырыисследовались теоретиками с различных точек зрения. Так как черная

www.ronl.ru

Смотрите также

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..