Чёрные дыры

Содержание

Введение.................................................................................................................................................................................... 2

Внешнее строение черной дыры........................................................................................................................ 2

Временные туннели?..................................................................................................................................................... 3

Эргосфера................................................................................................................................................................................. 3

Метаморфозы чёрных дыр........................................................................................................................................ 4

Найдена ли уже чёрная дыра?............................................................................................................................... 6

Может XTE J1118+480 и есть та самая чёрная дыра?............................................................................. 7

Гипотеза Лапласа............................................................................................................................................................. 9

Работы Хоукинга............................................................................................................................................................... 9

Заключение......................................................................................................................................................................... 10

Использованная литература:.............................................................................................................................. 11

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 MQ
). 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 1,5MQ
до 3MQ
­­­
(где MQ
-
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 10¾5
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.