21
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА
По дисциплине: КОНЦЕПЦИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
На тему: ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Выполнил: студентки 1 курса
специальности «зс ЭКО (БУА)» группы зс ЭКО-12 (БУА)
Ефремова Кристина Сергеевна
Подпись____________
Проверил:
Подпись___________
Дата__________
Йошкар-Ола
2014
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………………..…….3
1. Образование черных дыр………………………………………………………6
2. Внешнее строение черной дыры. Виды черных дыр….……………………..8
3. Свойства черных дыр…………………………………………………………11
4. Путешествие в мир иной………………………………………………….…..15
5. Черные дыры – огромные порталы…………………………………….…….16
Заключение………………………………………………….
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
В современной науке черной дырой принято называть область пространства-времени, в которой гравитационное поле (тяготение) столь сильно, что ни один объект (даже излучение) не может вырваться из нее. Название же «черная дыра» ввел в обиход в 1968 году американский физик Джон Уилер (John A. Wheeler) в своей статье об этих удивительных небесных объектах. Новый термин сразу стал популярен, заменив собой использовавшиеся до того названия «коллапсар» и «застывшая звезда». Чтобы глубже понять, что же это такое, вернемся ненадолго во времена великого физика Исаака Ньютона, открывшего закон всемирного тяготения. Гениальная догадка ученого позволила вывести закон об универсальной силе, действию которой подвержено абсолютно все: поле тяготения действует не только на объемные тела, которые притягиваются друг к другу, но на микрочастицы и даже на свет. Это очень важный момент, самым кардинальным образом связанный с изучением свойств черных дыр.
Первым, кто допустил существование невидимых звезд, был ученый 18-19 веков Пьер Симон Лаплас (1749 – 1827), знаменитый тем, что создал теорию образования планет Солнечной системы из разряженной материи (облака). О невидимых звездах Лаплас впервые написал в 1795 году. Руководствуясь законом всемирного тяготения, он пришел к выводу, что звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми.
Действительно, чем больше космическое тело, тем большую скорость нужно набрать, чтобы навсегда покинуть его. Эта скорость называется второй космической, и для Земли равна 11 км/сек. Но вторая космическая скорость тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус небесного тела, т.к. с увеличением массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает. На Солнце 2-я космическая скорость равна 620 км/сек, но на его поверхности. Если же представить, что Солнце сжали до радиуса 10 километров, оставив при этом массу прежней, то 2-я космическая скорость увеличится до половины скорости света или 150 тысяч километров в секунду! Значит, если радиус Солнца уменьшать еще дальше (оставляя массу неизменной), то наступит такой момент, когда вторая космическая скорость достигнет световой или 300 000 км/сек! Лаплас, конечно, не брал в расчет сжатие небесных тел, что играет самую важную роль в образовании черных дыр, но он позволил понять главное: небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость превышает скорость света, становится невидимой для внешнего наблюдателя, иначе, свет пытается вырваться в пространство, но гравитация не позволяет ему этого сделать, и со стороны мы можем видеть лишь черное пятно в космосе, проще говоря, некую «дыру». Подобные выводы были сделаны современником Лапласа английским геологом Дж. Митчеллом в 1783 году, но его труды менее известны.
Такой была первая теория, говорившая о том, что могут существовать невидимые небесные тела, которые в реальности существуют, но не могут быть наблюдаемы с Земли в виду отсутствия излучения от них. Все это казалось убедительным до того, как научный мир не познакомился в начале 20 века с теорией еще одного великого физика – Альберта Эйнштейна. Убедительность Лапласа и Митчелла все же была шаткой по той простой причине, что в их времена еще не знали, что скорости выше скорости света в природе просто не существует. Общая теория относительности позволила сделать большой шаг к определению черной дыры в современном ее понимании. Чтобы понять суть различия между тяготением по Ньютону и тяготением по Эйнштейну, вернемся к опыту со сжатием Солнца. Закон Ньютона гласит, что при сжатии вдвое гравитация возрастает вчетверо, но Эйнштейну удалось блестяще доказать, что гравитация будет расти быстрее, и чем дальше мы сжимаем тело, тем быстрее будет расти гравитация. Если следовать ньютоновскому тяготению, то гравитация станет бесконечно большой, если радиус станет равным 0. Эйнштейн же нашел, что тяготение становится бесконечным при так называемом гравитационном радиусе небесного тела. Сфера описываемся таким радиусом, называется также сферой Шварцшильда. Иначе, тело не сожмется в точку, оно будет иметь определенные размеры, но гравитацию, стремящуюся к бесконечности. Гравитационный радиус напрямую зависит от массы небесного тела.
Гравитационное поле черных дыр настолько сильно, что если бы каким-то путём удалось оказаться вблизи чёрной дыры и направить в сторону от её поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от Земли до Солнца. Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля чёрной дыры и покинуть её поверхность. Именно поэтому такая поверхность называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу чёрной дыры.
Таким образом, черные дыры - 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.
История идеи о черных дырах.
Английский геофизик и астроном Джон Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, Мичелл рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более 3 км, то даже частицы света (которые он, вслед за Ньютоном, считал корпускулами) не могли бы улететь далеко от такой звезды. Поэтому такая звезда казалась бы издалека абсолютно темной. Эту идею Мичелл представил на заседании Лондонского Королевского общества 27 ноября 1783. Так родилась концепция "ньютоновской" черной дыры.
Такую же идею высказал в своей книге Система мира (1796) французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Простой расчет позволил ему написать: "Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз большим диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми". Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную. А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идея Митчела и Лапласа о черных дырах была забыта.
На протяжении XIX века идея тел, невидимых вследствие своей массивности, не вызывала большого интереса у учёных. Это было связано с тем, что в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. Однако в конце XIX — начале XX века было установлено, что сформулированные Дж.Максвеллом законы электродинамики, с одной стороны, выполняются во всех инерциальных системах отсчёта, а с другой стороны, не обладают инвариантностью относительно преобразований Галилея. Это означало, что сложившиеся в физике представления о характере перехода от одной инерциальной системы отсчёта к другой нуждаются в значительной корректировке.
В ходе дальнейшей разработки электродинамики Г.Лоренцем была предложена новая система преобразований пространственно-временных координат (известных сегодня как преобразования Лоренца), относительно которых уравнения Максвелла оставались инвариантными. Развивая идеи Лоренца, А.Пуанкаре предположил, что все прочие физические законы также инвариантны относительно этих преобразований.
В 1905 году А.Эйнштейн использовал концепции Лоренца и Пуанкаре в своей специальной теории относительности (СТО), в которой роль закона преобразования инерциальных систем отсчёта окончательно перешла от преобразований Галилея к преобразованиям Лоренца. Классическая (галилеевски-инвариантная) механика была при этом заменена на новую, лоренц-инвариантную релятивистскую механику. В рамках последней скорость света оказалась предельной скоростью, которую может развить физическое тело, что радикально изменило значение чёрных дыр в теоретической физике.
Однако ньютоновская теория тяготения (на которой базировалась первоначальная теория чёрных дыр) не является лоренц-инвариантной. Поэтому она не может быть применена к телам, движущимся с околосветовыми и световыми скоростями. Лишённая этого недостатка релятивистская теория тяготения была создана, в основном, Эйнштейном (сформулировавшим её окончательно к концу 1915 года) и получила название общей теории относительности (ОТО).
Во второй раз ученые "столкнулись" с черными дырами в 1916, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений ОТО. Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особенностью на расстоянии rg от нее; именно поэтому величину rg часто называют "шварцшильдовским радиусом", а соответствующую поверхность (горизонт событий) – шварцшильдовской поверхностью. В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования черные дыры еще не рассматривались.
Правда, в 1930-е, после создания квантовой механики и открытия нейтрона, физики исследовали возможность формирования компактных объектов (белых карликов и нейтронных звезд)как продуктов эволюции нормальных звезд. Оценки показали, что после истощения в недрах звезды ядерного топлива, ее ядро может сжаться превратиться в маленький и очень плотный белый карлик или же в еще более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду.
В 1934 работавшие в США европейские астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде выдвинули гипотезу – вспышки сверхновых представляют собой совершенно особый тип звездных взрывов, вызванных катастрофическим сжатием ядра звезды. Так впервые родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезды. Бааде и Цвикки высказали предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчеты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. Но если масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса.
В 1939 американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер обосновали вывод, что ядро массивной звезды должно безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого (если он не вращается) описываются решением Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь черной дырой. Но поскольку такой объект (как говорили тогда, "коллапсар", или "застывшая звезда") не излучает электромагнитные волны, то астрономы понимали, что обнаружить его в космосе будет невероятно трудно и поэтому долго не приступали к поиску.
Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на черную дыру, свободно проникают внутрь через горизонт. Можно сказать, что черная дыра все поглощает и ничего не выпускает. По этой причине и родился термин "черная дыра", предложенный в 1967 американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером.
ОБРАЗОВАНИЕ ЧЕРНЫХ ДЫР
По современным представлениям, существуетчетыре способа образования черной дыры:
Гравитационный коллапс достаточно массивной звезды на конечном этапе её эволюции.
Коллапс центральной части Галактики. Например, в центре нашей Галактики находится чёрная дыра Стрелец A* массой 3,7 солнечных масс. Этот способ схож с предыдущим, с той лишь разницей, что звезда не образуется, как это обычно бывает при гравитационном сжатии межзвездного газа. Масса газа настолько велика, что сжатие идет сразу до образования черной дыры.
Формирование чёрных дыр в моментБольшого взрыва, в результате флуктуаций гравитационного поля или материи.
Возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях при высоких энергий - квантовые чёрные дыры.
Самый очевидный путь образования черной дыры – коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается и звезда начинает сжиматься.
Наиболее быстро сжимается ядро звезды, при этом оно сильно разогревается (его гравитационная энергия переходит в тепло) и нагревает окружающую его оболочку. В итоге звезда теряет свои наружные слои в виде медленно расширяющейся планетарной туманности или катастрофически сброшенной оболочки сверхновой. А судьба сжимающегося ядра зависит от его массы. Расчеты показывают, что если масса ядра звезды не превосходит трех масс Солнца, то она "выигрывает битву с гравитацией": его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и звезда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса ядра звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить его катастрофический коллапс, и оно быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой. Как следует из формулы для rg, черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км.
Астрономические наблюдения хорошо согласуются с этими расчетами: все компоненты двойных звездных систем, проявляющие свойства черных дыр (в 2005 их известно около 20), имеют массы от 4 до 16 масс Солнца. Теория звездной эволюции указывает, что за 12 млрд. лет существования нашей Галактики, содержащей порядка 100 млрд. звезд, в результате коллапса наиболее массивных из них должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр. К тому же, черные дыры очень большой массы (от миллионов до миллиардов масс Солнца)могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе, и нашей. Об этом свидетельствуют астрономические наблюдения, хотя пути формирования этих гигантских черных дыр не вполне ясны.
Если в нашу эпоху высокая плотность вещества, необходимая для рождения черной дыры, может возникнуть лишь в сжимающихся ядрах массивных звезд, то в далеком прошлом, сразу после Большого взрыва, с которого около 14 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, высокая плотность материи была повсюду. Поэтому небольшие флуктуации плотности в ту эпоху могли приводить к рождению черных дыр любой массы, в том числе и малой. Но самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. "Первичные черные дыры" с массой более 1012 кг могли сохраниться до наших дней. Самые мелкие из них, массой 1012 кг (как у небольшого астероида), должны иметь размер порядка 10–15 м (как у протона или нейтрона).
Наконец, существует гипотетическая возможность рождения микроскопических черных дыр при взаимных соударениях быстрых элементарных частиц. Таков один из прогнозов теории струн – одной из конкурирующих сейчас физических теорий строения материи. Теория струн предсказывает, что пространство имеет более трех измерений. Гравитация, в отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому существенно усиливаться на коротких расстояниях. При мощном столкновении двух частиц (например, протонов) они могут сжаться достаточно сильно, чтобы родилась микроскопическая черная дыра. После этого она почти мгновенно разрушится ("испарится"), но наблюдение за этим процессом представляет для физики большой интерес, поскольку, испаряясь, дыра будет испускать все существующие в природе виды частиц. Если гипотеза теории струн верна, то рождение таких черных дыр может происходить при столкновениях энергичных частиц космических лучей с атомами земной атмосферы, а также в наиболее мощных ускорителях элементарных частиц.
studfiles.net
ВВЕДЕНИЕ
Черные дыры – объекты вселенной, которые привлекают интерес многих учёных-астрономов. Чёрные дыры, космические объекты, существование которых предсказывает общая теория относительности. Образуются при неограниченном гравитационном коллапсе массивных космических тел (в частности, звезд с массами 40-60 M?). Коллапс гравитационный - катастрофически быстрое сжатие звезды под действием сил тяготения (гравитации). Внешнее строение черной дыры Черная дыра обладает внешним гравитационным полем, свойства которого определяются массой, моментом вращения и, возможно, электрическим зарядом, если коллапсирующая звезда была электрически заряжена. На больших расстояниях поле чёрной дыры практически не отличается от полей тяготения обычных звёзд, и движение других тел, взаимодействующих с чёрной дырой на большом расстоянии, подчиняется законам механики Ньютона. Гравитационное поле настолько сильно, что абсолютно не может испускать свет, поэтому они кажутся чёрными. Катастрофическая гравитация сжатием (коллапсом) может заканчиваться, в частности, эволюция звёзд, масса которых к моменту сжатия превышает критическую величину. Значение критической массы точно не определено и в зависимости от принятого уравнения состояния вещества меняется от 1,5M? до 3M? (где M? - масса Солнца). Если после потери устойчивости в звезде не происходит освобождения энергии, достаточной для остановки сжатия или для взрыва, при котором оставшаяся после взрыва масса стала бы меньше критической, то центральные части звезды коллапсируют и за короткое время достигают гравитационного радиуса rg. Никакие силы не могут воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды, если её радиус 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 результате гравитационного сжатия массивных звёзд появляется область пространства-времени, из которой не может выйти никакая информация о физических процессах, происходящих внутри неё. Временные туннели? Известны трудности, связанные с межзвездными перелетами. В ряде теоретических работ показана возможность существования туннелей, соединяющих любые отдаленные области Метагалактики или различные мини-вселенные в Большой Вселенной. Система из двух туннелей, обеспечивающая движение вещества и излучения в любом направлении, для внешнего наблюдателя будет весьма сходной с двойной системой, состоящей из черной и белой дыры. Через аналог черной дыры возможен проход из одной части нашей Вселенной в другую ее часть или в другую вселенную. Через аналог белой дыры возможен доступ к нам. Идея применения топологических туннелей использована в романе известного американского астрофизика К. Сагана «Контакт». Эргосфера Как показывают расчёты, у вращающейся чёрной дыры вне её поверхности должна существовать область, ограниченная поверхностью статического предела, то есть эргосфера. Сила притяжения со стороны чёрной дыры, действующая на неподвижное тело, помещенное в эргосферу, обращается в бесконечность. Однако эта сила конечна. Любые частицы, оказавшиеся в эргосфере, будут вращаться вокруг чёрной дыры. Наличие эргосферы может привести к потере энергии вращающейся чёрной дыры. Это возможно, в частности, в том случае, если некоторое тело, влетев в эргосферу, распадается (например, в результате взрыва) около поверхности чёрной дыры, на две части, причём одна из них продолжает падение на чёрную дыру, а вторая вылетает из эргосферы. Параметры взрыва могут быть такими, что энергия вылетевшей из эргосферы части больше энергии былого тела. Дополнительная энергия при этом черпается из энергии вращения чёрной дыры. С уменьшением момента её вращения поверхность статического предела сливается с поверхностью чёрной дыры и эргосфера исчезает. Быстрое вращение коллапсирующего тела препятствует образованию чёрной дыры вследствие действия сил вращения. Поэтому чёрная дыра не может иметь момент вращения больший некоторого экстремального значения. Метаморфозы чёрных дыр Как показывают квантово механические расчёты, в сильном гравитационном поле чёрных дыр могут рождаться частицы - фотоны, нейтрино, гравитоны, электрон-позитронные пары и др.; в результате она излучает как чёрное тело с эффективной температурой даже тогда, когда никакое вещество на неё не падает. Энергия этого излучения черпается из энергии гравитационного поля чёрной дыры, что со временем приводит к уменьшению её массы. Однако из-за низкой эффективности процессы квантового излучения несущественны для массивных чёрных дыр, возникающих в результате коллапса звёзд. На ранних (горячих и сверхплотных) этапах развития Вселенной в ней из-за неоднородного распределения вещества могли образоваться чёрные дыры с различной массой - от 10?5 г до массы Солнца и больше. В отличие от чёрных дыр - сколлапсировавших звёзд, эти чёрные дыры получили название первичных. Процессы квантового излучения уменьшают массу чёрной дыры, и к настоящему времени все первичные чёрные дыры с массой меньше 1015 г должны были "испариться". Интенсивность и эффективная температура излучения чёрной дыры увеличиваются с уменьшением её массы, поэтому на последней стадии (для массы порядка 3.109 г) "испарение" чёрной дыры представляет собой взрыв с выделением 1030 эрг за 0,1 сек. Первичные чёрные дыры, массой большей, чем 1015 г остались практически неизменными. Обнаружение первичных чёрных дыр по их излучению позволило бы сделать важные выводы о физических процессах, протекавших на ранних стадиях эволюции Вселенной. Поиски чёрных дыр во Вселенной представляют собой одну из актуальных задач современной астрономии. Предполагается, что чёрные дыры могут быть невидимыми компонентами некоторых двойных звёздных систем. Однако этот вывод не достоверен, т.к. одна из звёзд двойной системы, будучи нормальной звездой, может оказаться невидимой на фоне более сильного свечения второй компоненты. Другой нахождения чёрной дыры в двойных системах основывается на изучении свечения вещества, которое перетекает к ней с соседней (обычной) звезды. Вблизи чёрной дыры из перетекающего вещества образуется диск, его слои движутся вокруг чёрной дыры с различными скоростями. Из-за трения между соседними слоями вещество в диске нагревается до десятков миллионов градусов, и внутренние области диска излучают энергию в рентгеновском диапазоне электромагнитного спектра (Излучение черных дыр не может покинуть черные дыры — оно “заперто” гравитацией). Аналогичное излучение будет рождаться и в том случае, если на месте чёрной дыры в двойной системе будет находиться нейтронная звезда, но последняя не может иметь массу больше некоторого предельного значения. В результате космических исследований открыто большое 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 возможность существования подобных объектов еще в 1917 году, а за последние десятилетия астрономы обнаружили множество свидетельств их присутствия во многих областях космического пространства. Известно более 5 объектов, в состав которых, вероятно, входят черные дыры. Тем не менее, есть только косвенные подтверждения, но нет неопровержимых доказательств. Наиболее вероятным кандидатом в чёрные дыры является рентгеновский источник Лебедь Х-1, обнаруженный в начале 1970-х годов в Х-бирнарных системах. Масса источника в этой системе, которую можно оценить из 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 et al. Рентгеновская обсерватория “Чандра” обнаружила в нескольких галактиках с высоким темпом звездообразования места расположения возможных черных дыр со средней массой. Может XTE J1118+480 и есть та самая чёрная дыра? Данные из Цифрового обзора неба DSS, созданного Институтом Космического телескопа, сыграли важную роль в открытии древней черной дыры, движущейся через галактические окрестности Солнца. Эта черная дыра в паре с небольшой звездой-компаньоном, чье вещество она поглощает, движется по вытянутой орбите, пересекая дальние области Млечного Пути. Ученые предполагают, что черная дыра является остатком массивной звезды, завершившей свое существование миллиарды лет назад и благодаря гравитационным эффектам выброшенная из родного звездного скопления. Исследовавшийся объект носит обозначение XTE J1118+480, он был обнаружен при наблюдениях на рентгеновском спутнике “Росси-ХТЕ” 29 марта 2000 года. Позднее оптические и радионаблюдения позволили определить, что расстояние до него составляет 6000 световых лет. Как известно, большинство звезд Млечного Пути находятся в тонком галактическом диске. Однако некоторая часть звезд содержится в шаровых скоплениях, состоящих из сотен тысяч старых звезд и движущихся по орбитам, выходящим за пределы галактической плоскости. Орбита XTE J1118+480 похожа на орбиты шаровых скоплений, а скорость, с которой происходит движение, составляет 145 км/с относительно Солнца. Звезда, ставшая родителем черной дыры в XTE J1118+480, возможно, сформировалась в шаровом скоплении еще до того, как появился диск Галактики. На большой возраст черной дыры указывает и то, что звезда-компаньон, вещество которой дыра поглощает, потеряла почти всю свою массу, которая теперь составляет не более трети массы Солнца. Ученые полагают, что захват звезды-компаньона произошел еще до выброса черной дыры из скопления. Относительная близость к Солнцу позволила астрономам при помощи сети радиотелескопов VLBA определить параметры движения черной дыры. Наблюдения на VLBA проводились в мае и июле 2001 года, при этом в полную силу использовалась высочайшая разрешающая способность сети для обнаружения смещения объекта относительно более удаленных небесных тел. Хотя несколько “среднемассивных” черных дыр было обнаружено ранее, теперь появилась возможность наблюдать большое количество подобных объектов и выяснить их связь с формированием звезд и образованием гораздо более массивных черных дыр. На конференции Американского астрономического общества три независимых группы сообщили о десятках рентгеновских источников, обнаруженных в галактиках с высоким темпом звездообразования. Эти источники имеют точечный вид и в десятки тысяч 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, движущихся со скоростью, превышающей скорость света. Учёный предполагал, что существует тело, скорость которого настолько высока (около 300 000 км/с), что свет не может излучаться с его поверхности. Работы Хоукинга Стивен Хоукинг, несмотря на свою трудную жизнь, омрачённую лишением дара речь и полную неподвижность, написал много трудов, в том числе связанных с попытками объяснить физические основы теории Большого взрыва, распознаванием чёрных дыр и значительной деформацией пространства и времени внутри них. Один из самых интересных фактов, выдвинутых Хоукингом, был о том, что чёрные дыры не полностью "чёрные", а могут выбрасывать излучение благодаря квантовым эффектам до собственного исчезновения или взрыва.
Заключение Много интересного можно узнать о чёрных дырах, занимаясь их изучением 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 сможем когда-нибудь узнать, опровергнуть или доказать сегодняшние предположения и гипотезы, которые люди высказывали сотни лет назад. Правильно сказал Дж. Друно: «Умственная сила никогда не успокоится, никогда не остановится на познанной истине, но все время 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, Ангус Холл «Когда?т Где? Как ? и почему это произошло?»1993; 3. Рандзини Дж. Справочник "Космос". – М., « Росмен»2000.
www.ronl.ru
ЧЕРНАЯ ДЫРА, область в пространстве, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют «горизонтом событий». Поскольку до сих пор имеются лишь косвенные указания на существование черных дыр на расстояниях в тысячи световых лет от Земли, наше дальнейшее изложение основывается главным образом на теоретических результатах.
Черные дыры, предсказанные общей теорией относительности (теорией гравитации, предложенной Эйнштейном в 1915) и другими, более современными теориями тяготения, были математически обоснованы Р.Оппенгеймером и Х.Снайдером в 1939. Но свойства пространства и времени в окрестности этих объектов оказались столь необычными, что астрономы и физики в течение 25 лет не относились к ним серьезно. Однако астрономические открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры как на возможную физическую реальность. Их открытие и изучение может принципиально изменить наши представления о пространстве и времени.
Образование черных дыр. Пока в недрах звезды происходят термоядерные реакции, они поддерживают высокую температуру и давление, препятствуя сжатию звезды под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Расчеты показывают, что если масса звезды не превосходит трех масс Солнца, то она выиграет «битву с гравитацией»: ее гравитационный коллапс будет остановлен давлением «вырожденного» вещества, и звезда навсегда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса и она быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой. У сферической черной дыры массы M горизонт событий образует сферу с окружностью по экватору в 2 раз большей «гравитационного радиуса» черной дыры RG = 2GM/c2, где c – скорость света, а G – постоянная тяготения. Черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км.
Если астроном будет наблюдать звезду в момент ее превращения в черную дыру, то сначала он увидит, как звезда все быстрее и быстрее сжимается, но по мере приближения ее поверхности к гравитационному радиусу сжатие начнет замедляться, пока не остановится совсем. При этом приходящий от звезды свет будет слабеть и краснеть, пока не потухнет совсем. Это происходит потому, что в борьбе с гигантской силой тяжести свет теряет энергию и ему требуется все больше времени, чтобы достичь наблюдателя. Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему ее свету потребуется бесконечное время, чтобы достичь наблюдателя (и при этом фотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, астроном никогда не дождется этого момента и тем более не увидит того, что происходит со звездой под горизонтом событий. Но теоретически этот процесс исследовать можно.
Расчет идеализированного сферического коллапса показывает, что за короткое время звезда сжимается в точку, где достигаются бесконечно большие значения плотности и тяготения. Такую точку называют «сингулярностью». Более того, общий математический анализ показывает, что если возник горизонт событий, то даже несферический коллапс приводит к сингулярности. Однако все это верно лишь в том случае, если общая теория относительности применима вплоть до очень маленьких пространственных масштабов, в чем мы пока не уверены. В микромире действуют квантовые законы, а квантовая теория гравитации пока не создана. Ясно, что квантовые эффекты не могут остановить сжатие звезды в черную дыру, а вот предотвратить появление сингулярности они могли бы.
Современная теория звездной эволюции и наши знания о звездном населении Галактики указывают, что среди 100 млрд. ее звезд должно быть порядка 100 млн. черных дыр, образовавшихся при коллапсе самых массивных звезд. К тому же черные дыры очень большой массы могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе и нашей.
Как уже отмечалось, в нашу эпоху черной дырой может стать лишь масса, более чем втрое превышающая солнечную. Однако сразу после Большого взрыва, с которого ок. 15 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, могли рождаться черные дыры любой массы. Самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. Но «первичные черные дыры» с массой более 1015 г могли сохраниться до наших дней.
Все расчеты коллапса звезд делаются в предположении слабого отклонения от сферической симметрии и показывают, что горизонт событий формируется всегда. Однако при сильном отклонении от сферической симметрии коллапс звезды может привести к образованию области с бесконечно сильной гравитацией, но не окруженной горизонтом событий; ее называют «голой сингулярностью». Это уже не черная дыра в том смысле, как мы обсуждали выше. Физические законы вблизи голой сингулярности могут иметь весьма неожиданный вид. В настоящее время голая сингулярность рассматривается как маловероятный объект, тогда как в существование черных дыр верит большинство астрофизиков.
Свойства черных дыр. Для стороннего наблюдателя структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой. В процессе коллапса звезды в черную дыру за малую долю секунды (по часам удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные с неоднородностью исходной звезды, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Образовавшаяся стационарная черная дыра «забывает» всю информацию об исходной звезде, кроме трех величин: полной массы, момента импульса (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая черную дыру, уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, имела ли она форму сигары или блина и т.п. В реальных астрофизических условиях заряженная черная дыра будет притягивать к себе из межзвездной среды частицы противоположного знака, и ее заряд быстро станет нулевым. Оставшийся стационарный объект либо будет невращающейся «шварцшильдовой черной дырой», которая характеризуется только массой, либо вращающейся «керровской черной дырой», которая характеризуется массой и моментом импульса. Единственность указанных выше типов стационарных черных дыр была доказана в рамках общей теории относительности В.Израэлем, Б.Картером, С.Хокингом и Д.Робинсоном.
Согласно общей теории относительности, пространство и время искривляются гравитационным полем массивных тел, причем наибольшее искривление происходит вблизи черных дыр. Когда физики говорят об интервалах времени и пространства, они имеют в виду числа, считанные с каких-либо физических часов и линеек. Например, роль часов может играть молекула с определенной частотой колебаний, количество которых между двумя событиями можно назвать «интервалом времени». Замечательно, что гравитация действует на все физические системы одинаково: все часы показывают, что время замедляется, а все линейки – что пространство растягивается вблизи черной дыры. Это означает, что черная дыра искривляет вокруг себя геометрию пространства и времени. Вдали от черной дыры это искривление мало, а вблизи так велико, что лучи света могут двигаться вокруг нее по окружности. Вдали от черной дыры ее поле тяготения в точности описывается теорией Ньютона для тела такой же массы, но вблизи гравитация становится значительно сильнее, чем предсказывает ньютонова теория. Любое тело, падающее на черную дыру, задолго до пересечения горизонта событий будет разорвано на части мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра.
Черная дыра всегда готова поглотить вещество или излучение, увеличив этим свою массу. Ее взаимодействие с окружающим миром определяется простым принципом Хокинга: площадь горизонта событий черной дыры никогда не уменьшается, если не учитывать квантового рождения частиц.
Дж. Бекенстейн в 1973 предположил, что черные дыры подчиняются тем же физическим законам, что и физические тела, испускающие и поглощающие излучение (модель «абсолютно черного тела»). Под влиянием этой идеи Хокинг в 1974 показал, что черные дыры могут испускать вещество и излучение, но заметно это будет лишь в том случае, если масса самой черной дыры относительно невелика. Такие черные дыры могли рождаться сразу после Большого взрыва, с которого началось расширение Вселенной. Массы этих первичных черных дыр должны быть не более 1015 г (как у небольшого астероида), а размер 1015 м (как у протона или нейтрона). Мощное гравитационное поле вблизи черной дыры рождает пары частица–античастица; одна из частиц каждой пары поглощается дырой, а вторая испускается наружу. Черная дыра с массой 1015 г должно вести себя как тело с температурой 1011 К. Идея об «испарении» черных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.
Поиск черных дыр. Расчеты в рамках общей теории относительности Эйнштейна указывают лишь на возможность существования черных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире; открытие настоящей черной дыры стало бы важным шагом в развитии физики. Поиск изолированных черных дыр в космосе безнадежно труден: мы не сможем заметить маленький темный объект на фоне космической черноты. Но есть надежда обнаружить черную дыру по ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по ее характерному влиянию на них.
Сверхмассивные черные дыры могут находиться в центрах галактик, непрерывно пожирая там звезды. Сконцентрировавшись вокруг черной дыры, звезды должны образовать центральные пики яркости в ядрах галактик; их поиски сейчас активно ведутся. Другой метод поиска состоит в измерении скорости движения звезд и газа вокруг центрального объекта в галактике. Если известно их расстояние от центрального объекта, то можно вычислить его массу и среднюю плотность. Если она существенно превосходит плотность, возможную для звездных скоплений, то полагают, что это черная дыра. Этим способом в 1996 Дж. Моран с коллегами определили, что в центре галактики NGC 4258, вероятно, находится черная дыра с массой 40 млн. солнечных.
Наиболее перспективным является поиск черной дыры в двойных системах, где она в паре с нормальной звездой может обращаться вокруг общего центра масс. По периодическому доплеровскому смещению линий в спектре звезды можно понять, что она обращается в паре с неким телом и даже оценить массу последнего. Если эта масса превышает 3 массы Солнца, а заметить излучение самого тела не удается, то очень возможно, что это черная дыра.
В компактной двойной системе черная дыра может захватывать газ с поверхности нормальной звезды. Двигаясь по орбите вокруг черной дыры, этот газ образует диск и, приближаясь по спирали к черной дыре, сильно нагревается и становится источником мощного рентгеновского излучения. Быстрые флуктуации этого излучения должны указывать, что газ стремительно движется по орбите небольшого радиуса вокруг крохотного массивного объекта.
С 1970-х годов обнаружено несколько рентгеновских источников в двойных системах с явными признаками присутствия черных дыр. Самой перспективной считается рентгеновская двойная V 404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее чем в 6 масс Солнца. Другие замечательные кандидаты в черные дыры находятся в двойных рентгеновских системах Лебедь X-1, LMCX-3, V 616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. За исключением LMCX-3, расположенной в Большом Магеллановом Облаке, все они находятся в нашей Галактике на расстояниях порядка 8000 св. лет от Земли.
referat.store
