чёрные дыры. реферет астрономия алиса 22 мая. Реферат на тему черные дыры работу выполнила студент 1 курса 213 группы А. В. Воробей
 Скачать 148.33 Kb.
|
ОГЛАВЛЕНИЕВведение 3 Глава 1. Образование чёрных дыр 4 Свойства чёрных дыр 5 Глава 2. Ультра-массивные черные дыры 7 Первичная 8 Квант 8 Заключение 8 Список литературы 9 Введение 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. Глава 1. Образование чёрных дыр 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. Глава 2. Ультра-массивные черные дыры Согласно нашему сегодняшнему пониманию, протяженные очень массивные черные дыры образуют ядра большинства галактик. Среди них массивная черная дыра в ядре нашей галактики, Стрелец А*. В настоящее время существование черных дыр в звездном и галактическом масштабе рассматривается большинством ученых как доказанное астрономическое наблюдение. Американские астрономы обнаружили, что массу сверхмассивных черных дыр можно существенно недооценить. Исследователи обнаружили, что масса центральной черной дыры должна составлять не менее 6,4 млрд. масс Солнца, чтобы звезды в галактике M87 (которая находится на расстоянии 50 млн. световых лет от Земли) могли двигаться в их нынешнем виде, что в два раза больше, чем текущая оценка ядра M87, которое имеет 3 млрд. масс Солнца. 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. Заключение Ты можешь многому научиться о черных дырах, если будешь внимательно их изучать. В глубинах Вселенной столько нового и неизвестного, что, я думаю, будет изучаться еще долгое время. Уверен, что по мере совершенствования технологий однажды мы сможем узнать, опровергнуть или доказать предположения и гипотезы, которые люди выдвигали сотни лет назад. Список литературы Прошлое 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. |