Астрономия. Черные дыры
 Скачать 30.35 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГБПОУ МО «СЕРПУХОВСКИЙ КОЛЛЕДЖ» Зачетная работа по дисциплине Астрономия на тему « Черные дыры » Выполнили: Родионов Александр Сергеевич Мержоев Саидбек Шералиевич студенты группы 1011 по специальности 15.01.05 Серпухов, 2022 Введение Это может показаться странным, но черные дыры являются самыми простыми объектами во Вселенной в плане характеристик. У них есть лишь два параметра: скорость вращения и масса. В астрофизике считается, что они являются финальным этапом эволюции звезд. Когда жизненный цикл светила подходит к концу, оно взрывается, а его центр превращается в черную дыру. Поверхность новообразованного небесного тела называется горизонтом событий. Но нужно понимать, что у черной дыры отсутствует физическая оболочка. Под данным термином подразумевается лишь пространство на определенном расстоянии от центра, где заканчивается действие силы притяжения. Когда объект или свет пересекает горизонт событий, он уже не может выбраться из черной дыры, поскольку оказывается в сильном гравитационном поле. Черная дыра — это область пространства, где гравитация настолько сильна, что ни вещество, ни радиация не могут покинуть эту область. Для расположенных там тел вторая космическая скорость (скорость выхода) должна была бы превышать скорость света, что невозможно, так как ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Поэтому ничто не может вырваться из черной дыры. Граница области, за пределами которой свет не может выйти, называется «горизонтом событий» или просто «горизонтом» черной дыры. Суть гипотезы об образовании черной дыры заключается в следующем: Когда определенная масса вещества находится в относительно небольшом, критическом для него объеме, то это вещество начинает непреодолимо сжиматься под действием собственной силы тяжести. Происходит своего рода гравитационная катастрофа — гравитационный коллапс. В результате сжатия увеличивается концентрация вещества. Наконец, наступает момент, когда сила гравитации на его поверхности становится настолько велика, что для того, чтобы преодолеть ее, необходимо развивать скорость, превосходящую скорость света. Такие скорости практически недостижимы, и ни световые лучи, ни частицы материи не могут вырваться из замкнутого пространства черной дыры. Оказывается, излучение черной дыры «блокируется» гравитацией. Черные дыры могут поглощать только излучение. Образование чёрных дыр Появление черных дыр напрямую зависит от их массы. По этому параметру они разделяются на две категории: околосолнечные – их вес равен нескольким Солнцам, и массивные – у них данный параметр в миллионы раз больше. Исследования показывают, что околосолнечные черные дыры имеют большой возраст и скорее всего появились на ранних этапах формирования Вселенной. Они образовались в результате сжатия звезд, размеры которых в 25-70 раз превышают габариты Солнца. Когда светило прекращало уменьшаться, оно взрывалось, а его центр превращался в черную дыру. Массивные объекты в большинстве случаев образуются из гигантских газовых облаков. Массы последних как раз хватает, чтобы сформировалась черная дыра больших размеров, которая весит в миллионы раз больше Солнца. На территории Млечного Пути существует одна из таких под названием Стрелец А*. Она находится в 26 тысячах световых лет от Солнечной системы. Эта черная дыра появилась примерно в то же время, что и галактика, и располагается в ее центре. Основным материалом для нее послужило газовое облако, которое сжалось до малых размеров. Также есть версия, что черная дыра в Млечном Пути появилась после взрыва звезды гигантских размеров. На протяжении своего существования оба вида объектов притягивают из пространства вещества, которые пересекают их горизонт событий. Из-за этого габариты черной дыры постепенно увеличиваются. Более того, если поглощение происходит лишь с одной стороны, она начинает вращаться в определенную сторону. Самый очевидный способ сформировать черную дыру — это разрушить ядро массивной звезды. До тех пор, пока звезда не исчерпала свои запасы ядерного топлива, ее равновесие поддерживается термоядерными реакциями (превращение водорода в гелий, затем в углерод и т.д.). гладить в самых массивных звездах). Тепло, вырабатываемое в результате этих реакций, компенсирует потерю энергии, покидающей звезду с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в кишечнике звезды и препятствуют ее сжатию под действием собственной силы тяжести. Однако со временем ядерное топливо высыхает, и звезда начинает сжиматься. Ядро звезды сжимается быстрее всего, оно сильно нагревается (его гравитационная энергия преобразуется в тепло) и нагревает окружающий корпус. В результате звезда теряет внешние слои как медленно расширяющаяся планетарная туманность или как катастрофически отброшенный корпус сверхновой. А судьба сжимаемого ядра зависит от его массы. Расчеты показывают, что если масса звездного ядра не превышает трех масс Солнца, звезда «побеждает в битве с гравитацией»: ее сжатие останавливается давлением вырожденной материи, и звезда превращается в белого карлика или нейтронную звезду. Но если масса ядра звезды больше трех солнечных элементов, то ничто не сможет остановить ее катастрофический коллапс, и она быстро исчезнет за горизонтом событий и превратится в черную дыру. Наконец, существует гипотетическая возможность образования микроскопических черных дыр при взаимных столкновениях быстрых элементарных частиц. Это одно из предсказаний теории строк, одна из физических теорий структуры материи, которые сейчас конкурируют друг с другом. Теория струн предсказывает, что пространство имеет более трех измерений. В отличие от других сил, гравитация должна распространяться через все эти размеры и, следовательно, значительно увеличиваться на коротких расстояниях. При сильном столкновении две частицы (например, протоны) могут сжиматься достаточно сильно, чтобы создать микроскопическую черную дыру. Затем она почти мгновенно обрушится («испарится»), но наблюдение за этим процессом представляет большой интерес для физиков, так как дыра испаряется и испускает все типы частиц, встречающихся в природе. Если гипотеза теории струн верна, то рождение таких черных дыр может происходить в столкновениях высокоэнергетических частиц космических лучей с атомами земной атмосферы и в самых мощных ускорителях элементарных частиц. Свойства чёрных дыр В окрестностях черной дыры напряжение гравитационного поля настолько велико, что физические процессы там могут быть описаны только с помощью релятивистской гравитационной теории. Согласно UTO, пространство и время изогнуты гравитационным полем массивных тел, причем наибольшая кривизна происходит в окрестностях черной дыры. Когда физики говорят о временных и пространственных интервалах, они имеют в виду числа, считываемые с произвольных физических часов и строк. Например, роль часов может играть молекула с определенной частотой колебаний, число которых между двумя событиями можно назвать «временными интервалами». Важно, чтобы гравитация действовала одинаково на все физические системы: Все часы показывают, что время замедляется, а все линейки показывают, что пространство расширяется вблизи черной дыры. Это означает, что черная дыра изгибает геометрию пространства и времени вокруг нее. За пределами черной дыры эта кривизна невелика, а рядом с черной дырой она настолько велика, что световые лучи могут двигаться по кругу вокруг черной дыры. За пределами черной дыры ее гравитационное поле точно описывается в теории Ньютона для тела равной массы, но вблизи черной дыры гравитационное поле становится намного сильнее, чем предсказывает теория Ньютона. Если бы вы могли наблюдать, как звезда в телескопе превращается в черную дыру, вы бы сначала увидели, как она сжимается все быстрее и быстрее, но по мере приближения ее поверхности к радиусу тяжести сжатие замедляется, пока не достигнет полной остановки. Свет, исходящий от звезды, будет ослабевать и краснеть до тех пор, пока не будет полностью погашен. Это происходит потому, что фотоны теряют энергию, когда они преодолевают гравитацию, и им требуется больше времени, чтобы добраться до нас. Когда поверхность звезды достигает гравитационного радиуса, требуется бесконечное количество времени, чтобы свет достиг каждого наблюдателя, даже относительно близко расположенного к звезде (а фотоны теряют всю свою энергию). Следовательно, мы никогда не будем ждать этого момента, и, кроме того, никогда не увидим, что произойдет со звездой ниже горизонта события, но теоретически этот процесс можно изучить. Расчет идеализированного сферического коллапса показывает, что вещество, находящееся под горизонтом событий, за короткое время сжимается до такой степени, что достигаются бесконечно большие значения плотности и силы тяжести. Этот пункт называется «сингулярность». Более того, математический анализ показывает, что при создании горизонта событий даже несферический коллапс приводит к сингулярности. Однако все это верно только в том случае, если общая относительность применима к очень небольшим пространственным масштабам, что пока не ясно. Квантовые законы применимы в микромире, а квантовая теория гравитации еще не создана. Понятно, что квантовые эффекты не могут предотвратить сужение звезды в черную дыру, но они могут предотвратить сингулярность. Вся материя в горизонте событий черной дыры обязательно попадает в ее центр и образует сингулярность бесконечно высокой плотности. Английский физик Стивен Хокинг определяет сингулярность как «место, где классическое понятие пространства и времени и все известные законы физики разрушаются, потому что все они сформулированы на основе классического пространства-времени». Рядом с черной дырой время проходит медленнее, чем далеко от нее. Если удаленный наблюдатель бросит горящий фонарик в направлении черной дыры, он увидит, что фонарик падает все быстрее и быстрее, но затем, по мере приближения к поверхности Шварцшильда, он замедлится, а его свет потускнеет и покраснеет (так как скорость вибрации всех его атомов и молекул замедляется). С точки зрения далекого наблюдателя, фонарь практически остановится и станет невидимым, так как никогда не сможет пройти сквозь поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда с фонариком, он бы за короткое время пересек поверхность черной дыры и упал в центр черной дыры, разорванной на части сильными приливно-отливными гравитационными силами, возникающими в результате различного притяжения на разных расстояниях от центра. Первичная Черные дыры в настоящее время имеют статус гипотезы. При достаточно больших отклонениях от однородности гравитационного поля и плотности материи в первые моменты жизни во Вселенной в результате коллапса могут образовываться черные дыры. В то же время их масса не ограничена снизу, как при звездном обрушении — возможно, их масса достаточно мала. Обнаружение первичных черных дыр представляет особый интерес в связи с возможностью изучения феномена испарения черной дыры. квантовая гравитация черной дыры Квант Предполагается, что в результате ядерных реакций черные дыры образуют стабильные микроскопические черные дыры, так называемые квантовые черные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако по общим причинам весьма вероятно, что массовый спектр черных дыр дискретный и что существует минимальная черная дыра — плоская черная дыра. Его масса около 10-5 г, а радиус — 10-35 м. Длина волны комптонской черной дыры в порядке ее гравитационного радиуса равна радиусу ее гравитации. Почему черные дыры так называются? Изначально данные космические объекты назывались коллапсарами. Однако в XX веке журналисты научных изданий начали использовать словосочетание “черная дыра”. Оно так сильно понравилось физику Джону Уиллеру, что он вывел его на уровень официального обозначения. Черные дыры получили такое название, поскольку полностью поглощают свет, из-за чего их нельзя увидеть. Разглядеть объект можно лишь в том случае, если вокруг горизонта событий находится оболочка из определенного вещества, например, газа. Также черная дыра хорошо заметна, если она впитывает вещество и энергию из расположенной рядом звезды. В противном случае обнаружить ее не удасться, поскольку она будет невидима для человеческого глаза и приборов. Какой формы черная дыра? Все черные дыры вращаются вокруг своей оси. И от скорости напрямую зависит их внешний вид. Если движение происходит медленно, то форма объекта будет сферической. Но когда черная дыра вращается с большой скоростью, ее полюса сплющиваются, из-за чего она становится овальной. На данный момент современных технологий хватает на то, чтобы определить форму объекта. Но ученым до сих пор не удается узнать, что находится в центре черной дыры. Известно, что там не действуют физические законы, а кривизна пространства стремится к бесконечности. Пока самым распространенным мнением считается, что внутри черной дыры находится сингулярность. Структура и физика черных дыр Любая черная дыра имеет два основных элемента. Горизонт событий – границу, при пересечении которой объект гарантированно окажется в гравитационном поле, и сингулярность. Последняя наполняет внутреннюю область. Ученые до сих пор не могут определить, что именно находится в ней. Известно, что внутри искажается время и пространство, не действуют законы физики. Когда черная дыра вращается, вокруг горизонта событий появляется эргосфера. Находящиеся в этой области объекты также движутся в этом направлении. Однако притяжение действует недостаточно сильно, чтобы затягивать их в сингулярность. Соответственно, объекты могут покинуть эргосферу. Виды черных дыр Изучение Вселенной позволило ученым выявить четыре вида черных дыр, обладающих определенными особенностями. 1 Черные дыры звездных масс Этот вид черных дыр появляется после выгорания топлива в звезде. Когда термоядерная реакция внутри светила прекращается, оно начинает остывать и сжиматься из-за сильной гравитации. Если на определенном этапе процесс остановится, то объект превратится в нейтронную звезду. Но если он продолжится, то в конечном итоге из-за гравитационного коллапса светило станет черной дырой. 2 Сверхмассивные черные дыры Представители данного класса обладают гигантскими размерами и большой массой. Не так давно американские ученые доказали, что данные объекты обладают гораздо большим весом, чем считалось ранее. Например, по предварительным оценкам, масса черной дыры, расположенной в центре галактики М87, равнялась трем миллиардам солнечных. Но более детальные исследования показали, что этот параметр значительно выше. Для того, чтобы черная дыра способствовала вращению звезд в галактике, она должна весить 6,5 млрд солнечных масс. Сверхмассивные черные дыры могут появляться как из звезд, так и из газовых облаков. При этом они поглощают большое количество материала из пространства, продолжая наращивать вес и габариты. 3 Первичные черные дыры Существование первичных черных дыр во Вселенной пока не доказано. Считается, что если на ранних этапах формирования космоса в гравитационных полях возникали колебания и появлялись сильные отклонения в их однородности, это могло способствовать образованию подобных объектов. Если первичные черные дыры существуют, то они обладают небольшой массой, которая может быть даже меньше, чем у Солнца. 4 Квантовые черные дыры Квантовые черные дыры должны образовываться в результате ядерных реакций, в которых задействовано большое количество энергии, равное 10^26 эВ и более. Однако на данный момент человечество не способно преодолеть данный порог, поэтому этот тип объектов имеет лишь теоретическое существование. Считается, что получить квантовую черную дыру можно в результате столкновения протонов. И если во время процесса выделится много энергии, его результатом станет появление простейшей частицы – максимона. Ее и можно будет считать квантовой черной дырой. Радиус объекта будет примерно 10^-35 м, а масса 10^-5 г, что делает максимон самой тяжелой элементарной частицей. Сколько черных дыр в нашей галактике? Обнаружение черных дыр – довольно сложный процесс, требующий долгого наблюдения за космосом и сбора множества данных. Более того, многие подобные объекты остаются незаметными до тех пор, пока не начнут поглощать вещество, находящееся в близлежащем пространстве. На территории Млечного Пути обнаружено в районе десяти черных дыр, за которыми регулярно ведется наблюдение. Однако внутри галактики могут существовать миллионы подобных небесных тел, причем среди них будут встречаться как небольшие, так и сверхмассивные. В 2005-ом году была обнаружена неоднородная область, которая постепенно перемещается вокруг центра галактики. Полученные данные указывают на то, что в этом участке Млечного Пути может находиться до 20-ти тысяч черных дыр. Несколько лет назад японские астрономы открыли объект, расположенный возле Стрельца А*. Его масса равна 100 тыс. солнечным, а диаметр составляет 0,3 световых года. Он также может являться черной дырой. Список источниковПрошлое и будущее вселенной. Опубликовано А.М. Черепахойщуком, М., Наука, 1984. И. Новиков Черные дыры и Вселенная. М., «Молодая гвардия», 1983. Дж. Нарликар. От черных облаков до черных дыр. М., Энергоатомиздат, 1986. Астрономия I.A. Климишина нашего времени. М., Наука, 1985. И. Николсон Таяние, Черные Дыры и Вселенная. М., Мир, 1984 год. Я.А. Смородинский. Температура. М., Наука, 1986. www.myunivercity.ru kipmu.ru |