Уральский государственный  экономический университет

Центр дистанционного образования 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа

по дисциплине

«Концепции современного естествознания»

«Черные дыры»  
 
 
 

Выполнил:

Плюснин И.Н.

Гр. УК-10 П 
 
 
 

Пермь

2010 г.

Содержание

Введение

1. Образование черных дыр
2. Методы определения масс черных дыр
3. Что внутри у черной дыры.
4. Черные дыры сливаются

Список используемой литературы.

ВВЕДЕНИЕ.

       Черные  дыры – объекты совершенно фантастические по своим свойствам. « Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и  химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое – это образ  черной дыры, отделенной от остального пространства определенной границей, которую ничто не может пересечь; дыры, обладающей настолько сильным  гравитационным полем, что даже свет задерживается его мертвой хваткой; дыры, искривляющей пространство и  тормозящей время. Подобно единорогам и химерам, черная дыра кажется более  уместной в фантастических романах  или в мифах древности, чем  в реальной Вселенной. И, тем не менее, законы современной физики фактически требуют, чтобы черные дыры существовали. Возможно, только  наша Галактика  содержит их» - так сказал о черных дырах американский физик К. Торн.

       К этому следует добавить, что внутри черной дыры удивительным образом меняются свойства пространства и времени, закручивающихся  в своеобразную воронку, а в глубине  находится граница, за которой время  и пространство распадаются на кванты… Внутри черной дыры, за краем этой своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы.

Черные  дыры являются самыми грандиозными источниками  энергии во Вселенной. Мы, вероятно, наблюдаем их в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик. Они  возникают также после смерти  больших звезд. Возможно, черные дыры в будущем станут источниками  энергии для человечества.

Образование черных дыр.

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

     При сжатии ядра звезды на поздней стадии эволюции температура поднимается  до гигантских значений - порядка миллиарда  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 им находиться в одинаковых состояниях, начинают при сильном сжатии эффективно отталкиваться друг от друга. В случае массы коллапсирующего ядра звезды меньше 3M скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная в основном эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивых нейтронных звезд. В случае массивных ядер звезд (m > 3M) скорости нейтронов велики, силы отталкивания между ними не могут уравновесить 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 до 10 км, из условия сохранения магнитного потока следует, что магнитное поле нейтронной звезды радиусом 10 км может достигать очень большой величины - порядка 1012 Гс. Радиус нейтронной звезды порядка 10 км, плотность вещества достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре.

     Хорошо  известные радиопульсары и рентгеновские пульсары как раз и представляют собой нейтронные звезды, причем число известных радиопульсаров достигает 700. Радиопульсары наблюдаются как источники строго периодических импульсов радиоизлучения, что связано с переработкой энергии быстрого вращения звезды в направленное радиоизлучение через посредство сильного магнитного поля. Рентгеновские пульсары 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 ударной волне до температур в десятки и сотни миллионов градусов. Это приводит к излучению рентгеновских квантов. Поскольку ось магнитного диполя не совпадает с осью вращения нейтронной звезды, рентгеновские пятна (их называют аккреционными колонками) при вращении нейтронной звезды то видны для земного наблюдателя, то экранируются телом нейтронной звезды, что приводит к эффекту маяка и феномену рентгеновского пульсара - строго периодической переменности рентгеновского излучения на временах от долей секунды до тысяч секунд. Периодические пульсации радио- или рентгеновского излучения говорят о том, что у нейтронной звезды есть сильное магнитное поле (~ 1012 Гс), твердая поверхность и быстрое вращение (периоды радиопульсаров достигают миллисекунд времени). У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку, согласно предсказанию общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, описывающей сильные гравитационные поля, черная дыра не имеет ни твердой поверхности, ни сильного магнитного поля.

     Для звезд, массы железных ядер которых  в конце эволюции превышают три  солнечных, ОТО предсказывает неограниченное 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 кубическом сантиметре), главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что давление вещества при больших плотностях как бы само "весит": чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях, согласно ОТО, становятся принципиально важными эффекты искривления пространства-времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды.

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

Методы  определения масс чёрных дыр.

Известно, что массу звезды можно измерить, если она входит в двойную систему. Наблюдая движение 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 гравитационных радиусов компонент, для определения масс звезд, в  том числе и масс нейтронных звезд  и черных дыр в двойных системах, вполне достаточно использования закона тяготения Ньютона. Мы не рассматриваем  здесь случай двойных радиопульсаров, где громадная точность определения моментов прихода радиоимпульсов позволяет наблюдать релятивистские эффекты (обусловленные ОТО) в движении пульсара, и по ним определять с высокой точностью массы пульсаров, и даже наблюдать вековое укорочение орбитального периода двойной системы, обусловленное излучением потока гравитационных волн.

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

НОВЕЙШИЕ  ДАННЫЕ

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

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

     Открытие  было сделано в результате наблюдений радиотелескопов Национального  Научного общества (VLBA), объединенных в  систему радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой вместе со спутниками приема рентгеновского излучения Rossi.

     Доказательством подтверждения открытия послужили  оптические снимки, сделанные на Паломарской Обсерватории (POSS). Это впервые, когда орбитальное движение черной дыры было измерено.

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

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

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

     Эта черная дыра имеет массу, больше солнечной в 7 раз. Чтобы разогнаться до существующей скорости, ей потребовался толчок ускорения, который могла дать только гравитационная сила общей массы шарового звездного скопления, из которого она когда-то и была выброшена.

     Расположенная неподалеку от Млечного Пути галактика  Centeurus A имеет в своем центре массивную черную дыру. Это удалось установить международной команде астрономов из Южной Европейской Обсерватории, проводивших наблюдения с помощью телескопа VLT (Very Large Telescope) в Чили. Измерения позволили определить массу черной дыры - около 200 миллионов масс Солнца. Галактика Centaurus A, известная также как NGC 5128, удалена от Земли на 11 миллионов световых лет. Это один из самых изученных объектов Вселенной. Как галактика она была каталогизирована в 1847 году британским астроном Джоном Гершелем (John Herschel) и уже полтора века изучается с использованием всего набора астрономических инструментов. О том, что в центре галактики находится черная дыра, подозревали давно, но никто не думал, что она настолько массивна.

Дж.Моран (J.Moran; Астрофизический центр в Кембридже, штат Массачусетс, США) утверждает, что ему удалось обнаружить сверхмассивную черную дыру в центре весьма удаленной от нас спиральной галактики NGC 4258, по результатам изучения мощного мазерного излучения, создаваемом молекулами воды газовых облаков, которые подвергаются воздействию интенсивной радиации.

Сопоставляя скорость движения космических облаков  с их расположением, Моран установил, что они обращаются вокруг некоего центрального объекта, подобно планетам вокруг Солнца. По значениям скоростей удалось вычислить массу притягивающего центра: она оказалась близкой к 36 млн М*! Причем вся эта гигантская масса сосредоточена в области, поперечник которой менее 1 светового года. Такими характеристиками может обладать только черная дыра.

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

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