Черные дыры

Основные данные о работе

Версия шаблона	1.1
Филиал	Балашовский
Вид работы	Творческая
Название дисциплины	Концепции Современного Естествознания
Тема	Черные дыры
Фамилия студента	Сергеев
Имя студента	Олег
Отчество студента	Олегович
№ контракта	1490011400102026

 

Содержание

Черные дыры.

Основная часть

История о  черных дырах.

 

Английский геофизик и астроном Джон Митчелл предположил, что в окружающей нас природе могут быть такие очень большие звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, Митчелл подсчитал, что если звезда с массой Солнца имеет радиус не более 5 км, то даже ее частицы света  не могли бы улететь далеко от этой звезды. Поэтому такая звезда казалась бы издалека полностью угасшей, темной. Эту идею Митчелл представил на заседании Лондонского Королевского общества 27 ноября 1785.

Такую же идею высказал в  своей книге Система мира (1798) французский математик и астроном Пьер Семон Лаплас. Простой расчет позволил ему дать понятие: "Светящаяся звезда с плотностью, которая равна плотности Земли, и имеющая диаметр, в 250 раз большим диаметра Солнца, не дает световому лучу достичь нас из-за своего притяжения; поэтому следует, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине, в большинстве случаев, невидимыми". Однако масса такой звезды должна была бы в сотни миллионов раз превосходить солнечную. А так как дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд почти не чем не отличаются от солнечной, то идея Митчелла и Лапласа о черных дырах была забыта.

Формирование черных дыр

Самый простой путь образования черной дыры – это распад, взрыв ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не закончился запас ядерного топлива, ее равновесие удерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, и т.д., вплоть до железа у наиболее крупных звезд). Выделяющееся при этом тепло восстанавливает потерю энергии, которая уходит от звезды с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают очень высокое давление в недрах звезды, не давая ей сжиматься под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается и звезда начинает угасать, сжиматься.

Очень быстро сжимается ядро звезды, при этом оно сильно разогревается и нагревает окружающую оболочку звезды. В конце концов звезда теряет свои строение наружных слоев ввиде медленно расширяющейся планетарной туманности. Судьба же сжимающегося ядра зависит от его массы и массы самой звезды. Расчеты показывают, что в среднем если масса ядра звезды не превосходит трех масс Солнца, то она масса ядра звезды как бы "выигрывает битву с гравитацией": его сжатие будет остановлено давлением выжженного вещества, и звезда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса ядра звезды более трех масс солнечных ядер, то его ожидает катастрофический коллапс, и оно быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой.

Свойства черных дыр

В рамках наиболее популярной в наше время теории гравитации – ОТО Эйнштейна – свойства черных дыр изучены очень подробно. Вот некоторые важнейшие из них:

1) Около черной дыры время течет медленнее, чем вдали нахождения от нее.

2) Каким бы сложным ни было  тело, после его сжатия в черную  дыру мы можем определить только три его основных параметра: полную массу, момент импульса и электрический заряд. Остальные же особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав и т.д.)в ходе коллапса "уничтожаются".

3) Если тело летящее к черной дыре вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется как бы "вихревое" гравитационное поле, которое увлекает за собой все соседние тела во вращательное движение вокруг черной дыры. Поле тяготения вращающейся черной дыры называют полем Керра (математик Рой Керр в 1963 нашел решение данных уравнений). Такой эффект характерен не только для черной дыры, но для любого вращающегося тела, в том числе и для Земли. По этой же причине размещенный на искусственном спутнике Земли свободно вращающийся гироскоп испытывает медленное тяготение относительно далеких звезд. Вблизи Земли этот эффект почти незаметен, но вблизи черной дыры он выражен намного сильнее: по скорости прецессии гироскопа можно измерить момент импульса той или иной черной дыры, хотя сама она подстать не видна.

4) Все вещество внутри горизонта  черной дыры непременно направлен к ее центру и образует туманность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хоукинг определяет туманность как "место, где разрушается концепция пространства и времени так же, как и все известные человеку законы физики, так как все они формулируются на основе определенного классического пространства-времени".

5) Кроме этого С.Хоукинг  открыл возможность медленного  самопроизвольного квантового "испарения"  черных дыр. В 1976 ученый доказал, что черные дыры (при чем но любые) могут испускать своего рода вещество и излучение, однако заметить это можно будет лишь в том случае, если масса самой дыры относительно мала. Большое гравитационное поле около черной дыры должно рождать пары частица-античастица. Одна из частиц каждой пары поглощается дырой, а вторая испускается наружу черной дыры. Например, черная дыра с массой 1012 кг должна вести себя как тело с температурой 1010 К, которое излучает очень жесткие гамма - кванты и частицы. Идея об "испарении" черных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах космоса, не способных излучать свет.

Поиски черных дыр

Расчеты ученых в рамках ОТО указывают лишь на возможность существования черных дыр, но в точночти не доказывают их наличия в реальном мире, открытие черной дыры стало бы большим главным шагом в развитии физики. Поиск изолированных черных дыр в космосе невероятно не прост: требуется заметить маленький темный объект на фоне космической черноты. Но также есть надежда обнаружить черную дыру по ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по ее характерному влиянию на них. Но есть надежда обнаружить черную дыру по ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по ее характерному влиянию на них.

Учитывая важнейшие  свойства черных дыр (массивность, компактность и невидимость) астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить черную дыру по ее гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например, с близкими звездами. Попытки обнаружить невидимые массивные спутники в двойных звездах не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры активно проявляют себя в тесных двойных системах, где они отбирают вещество у соседней звезды и поглощают его, нагревая при этом до температуры в миллионы градусов и делая его на короткое время источником рентгеновского излучения.

Поскольку в двойной  системе черная дыра в паре с нормальной звездой обращается вокруг общего центра массы, используя эффект Доплера, удается измерить скорость звезды и определить массу ее невидимого компаньона. Астрономы выявили уже несколько десятков двойных систем, где масса невидимого компаньона превосходит 3 массы Солнца и заметны характерные проявления активности вещества, движущегося вокруг компактного объекта, например, очень быстрые колебания яркости потоков горячего газа, стремительно вращающегося вокруг невидимого тела.

Особенно перспективной  считают рентгеновскую двойную  звезду V404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее, чем в 6 масс Солнца. Другие кандидаты в черные дыры находятся в двойных системах Лебедь X-1, LMC X-3, V616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. Почти все они расположены в пределах нашей Галактики, а система LMC X-3 – в близкой к нам галактике Большое Магелланово Облако.

 

Виды черных дыр

А) Сверхмассивные чёрные дыры Разросшиеся очень болшие чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра множества галактик. В их число входит и огромная чёрная дыра в ядре нашей галактики — Стрелец A*.

В наше время существование чёрных дыр звёздных масштабов считается большинством учёных точно доказанным астрономическими наблюдениями.

Американские астрономы  установили, что массы сверхогромных чёрных дыр могут быть сильно недооценены. Исследователи установили, что для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87  так, как это наблюдается в данное время, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,5 млрд. солнечных масс, то есть в два раза больше сегодняшних оценок ядра М87, которые составляют 4 млрд солнечных масс.

В) Первичные чёрные дыры

Первичные чёрные дыры на сегодняшний день носят статус гипотезы. Если в начале жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности той материи, то из них путём коллапса могли также образовываться чёрные дыры.

С)Квантовые чёрные дыры

Считается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микрочёрные дыры, которые имеют название квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов нужна квантовая теория гравитации. Однако из соображений весьма понятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Её масса около 10−5 г, радиус — 10−35 м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по величине равна её гравитационному радиусу.