Черные дыры Вселенной

МОУ Истринская СОШ № 3
Творческая работа на тему:
«Черные дыры Вселенной»
Автор работы:
Васильева Наталья,
13лет, учащаяся 7 класса
Руководитель:
Климова И.Н.,
учитель физики и астрономии
2012 год
г..Истра Московской области, Россия
Актуальность выбранной темы.
Все чаще в СМИ встречаются статьи о черных дырах. При работе большого
андронного коллайдера нас «пугали» их возникновением. Что такое «черная
дыра»? Где их можно обнаружить? Как они образуются? Большинство
астрофизиков верит в реальное существование черных дыр. Но есть упрямая
группа оппонентов общей теории относительности, которые напрочь отвергают
существование черных дыр. Для получения новых знаний я выбрала данную
тему.
Основная часть.
В 1783 году преподаватель из Кембриджа Джон Мичелл представил свою
работу журналу «Философские труды Лондонского Королевского общества». В
этой работе он указал на то, что достаточно массивная и компактная звезда
должна иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет выйти за
его пределы: любой луч света, испущенные поверхностью такой звезды, не
успев отойти от нее, будет втянут обратно ее гравитационным притяжением.
Несмотря на то, что их нельзя увидеть, так как их свет не может до нас дойти,
мы тем не менее должно ощущать их гравитационное притяжение. Подобные
объекты называются сейчас черными дырами, и этот термин отражает их суть:
темные бездонные в космическом пространстве.
Через несколько лет после Мичелла французский ученый Лаплас высказал,
по-видимому независимо от него, аналогичное предложение. Небезынтересно,
что Лаплас включил его лишь в первое и второе издание своей книге «Система
мира», но исключил из более поздних изданий, сочтя, наверное, черные дыры
бредовой идеей.
На самом деле свет нельзя рассмотреть как пушечное ядро в теории
тяготения Ньютона, потому что скорость света фиксирована. Последовательная
теория взаимного света и гравитации отсутствовала до 1915 года, когда
Эйнштейн предложил общую теорию относительности. Но даже после этого
прошло немало времени, пока не стало наконец ясно, какие выводы следуют из
теории Эйнштейна относительно массивных звезд..
Чтобы понять, как возникает черная дыра, надо вспомнить о том, каков
жизненный цикл звезд. Звезда образуется, когда большое количество газа
начинает сжиматься силами собственного гравитационного притяжения. В
процессе сжатия атомы газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом,
двигаясь со все большими скоростями. В результате газ разогревается и в конце
концов становиться таким горячим, что атомы водорода, вместо того, чтобы
отскакивать друг от друга, будут сливаться, образуя гелий. Тепло,
выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый взрыв
водородной бомбы, и вызывает свечение звезды. Из-за дополнительного тепла
давление газа возрастает до тех пор, пока не уравновесит гравитационное
притяжение, после чего газ перестает сжиматься. Это немного напоминает
надутый резинового шарик, в котором устанавливается равновесие между
давлением воздуха внутри, заставляя шарик раздуваться, и натяжением резины,
под действием которой шарик сжимается. Подобно шарику, звезды буду долго
оставаться в стабильном состоянии, в котором выделяющимся в ядерных
реакциях теплом уравновешивается гравитационное притяжение. Но в конце
концов у звезды кончится водород и другие виды ядерного топлива. Как ни
парадоксально, но чем больше начальный запас топлива у звезды, тем быстрее
оно истощится, потому что для компенсации гравитационного притяжения
звезде надо разогреваться тем сильнее, чем больше ее масса. А чем горячее
звезда, тем быстрее расходуется ее топливо. Запаса топлива на Солнце хватит
примерно на пять тысяч миллионов лет, но более тяжелые звезды израсходуют
свое топливо всего за сто миллионов лет, то есть за время, гораздо меньше
возраста Вселенной. Израсходовав топливо, звезда начинает охлаждаться и
сжимается, а вот что с ней происходит потом, стало понятно в конце 20- х годов
ХХ века.
Под черной дырой понимается объект, а точнее, область пространствавремени, гравитационное поле которое столь сильное, что даже свет,
распространяющийся в вакууме с предельно большой скоростью 300 000 км/с,
не может вырваться из нее. Иными словами, можно сказать, что вторая
космическая скорость для черных дыр равна скорости света.
Известно, что вторая космическая скорость для Земли ровно 11,2 км/с. Именно
такую скорость нужно сообщить космическому аппарату, чтобы он смог
окончательно преодолеть земное притяжение. Если мы возьмем воображаемое
сферический пресс и будим сжимать Землю, сохраняя ее массу, то когда ее
радиус уменьшиться в четыре раза, вторая космическая скорость вдвое и
станет равна 22,4 км/с. Продолжая сжимать Землю, мы будем отмечать, что
вторая космическая скорость для нее все более возрастает. Наконец, когда
радиус сжатия Земли уменьшится до 9 мм , вторая космическая скорость для
нее станет равна скорости света. Дальше пресс уже не понадобиться. Сжатая до
таких размеров, Земля, согласно предсказаниям общей теории относительности,
будет сжиматься сама. В конце концов образуется черная дыра массой равной
массе Земли.
В реальных условиях, разумеется, никакого пресса нет, а сжатия объекта
происходит под действием самой гравитации. Именно по этому черные дыры
образуются при сильном сжатии внутренних частей наиболее массивных звезд,
у которых гравитация достаточно сильна для этого.
Впервые идея возможности существования темных объектов, из которых не
может вырваться свет, зародилось после открытия Ньютоном в 1687 году закона
всемирного тяготения. Согласно закона Ньютона, два тела гравитационно
притягивают друг к другу с силой, прямо пропорциональной квадрату
расстояния между ними.
В современном варианте эта задача выглядит так: каковы должны быть радиус
Rs и масса M звезды, чтобы ее вторая космическая скорость (минимальная
скорость, которую необходимо сообщить телу на поверхности звезды, чтобы
оно вышло из сферы ее гравитационного действия) равнялась скорости света c?
Применяя закон сохранения энергии, получаем величину
Rs = 2GM/c2,
которая известна как радиус Шварцшильда, или радиус сферической черной
дыры (G - гравитационная постоянная). Несмотря на то что теория Ньютона
заведомо неприменима к реальным черным дырам, формула сама по себе
верна, что и подтвердил немецкий астроном К. Шварцшильд в рамках общей
теории относительности (ОТО) Эйнштейна, созданной в 1915 году! В этой
теории формула определяет, до какого размера должно сжаться тело, чтобы
получилась черная дыра. Если для тела радиуса R и массы M выполняется
неравенство R/M > 2G/c2, то тело гравитационно устойчиво, в противном
случае оно коллапсирует (схлопывается) в черную дыру.
Итак, если радиус тела не превышает гравитационного радиуса, то такое тело
будет темным, невидимым. Величина гравитационного радиуса относительно
очень мала. Для земли, - 9 мм, для Солнца — 3 км, а для тела сверхмассивных
тел — 40 а. е., что равно расстоянию от Солнца до Плутона.
Согласно общей теории относительности, время и пространство вместе можно
рассматривать как единое четырехмерное пространство, получившее название
пространство-время. Это пространство не плоское, оно искажается или
искривляется материей и заключенной в ней энергией. Мы наблюдаем данное
искривление по отклонению света и радиоволн, проходящие по пути к нам.
Когда свет проходит вблизи Солнца, отклонения очень мало.
Однако если бы Солнце сжалось до размеров всего нескольких миль в
поперечнике, отклонение было бы столь велико, что свет не смог бы улететь, а
был бы притянут гравитационным полем. Согласно теории относительности,
ничто не может двигаться быстрее света, поэтому образуется область, откуда не
может вырваться ничто. Такая область называется черной дырой, а его границы
— горизонтом событий. Его образует свет, едва не вырвавшийся из черной
дыры, но остававшийся парить на краю.
Рис. 1.
Вблизи коллапсирующей звезды траектория светового луча искривляется её
гравитационным полем.
Если послать к черной дыре космический корабль с космонавтами на борту, то
с Земли мы увидим, что по мере приближения к дыре он будет замедляться свое
движение и никогда не проникнет под горизонт событий. Однако с точки
зрения самого космонавта он вместе с кораблем свободно проникнет внутрь
черной дыры, под горизонт событий, не испытывая каких-либо препятствий,
кроме все возрастающих приливных сил, связанных с разностью сил
притяжения, действующих на разные части тела. Кстати, если черная дыра
имеет очень большую массу, то разность сил притяжения, действующих на ноги
и голову космонавта, будет достаточно мала, и он безболезненно пересечет
горизонт событий, не будучи разорван приливными силами. Правда, эти силы
будут нарастать по мере приближения к центру черной дыры, что в конце
концов приведет к гибели нашего путешественника. После пересечения
горизонта событий космонавт увидит внутренность черной дыры и
центральную сингулярность — область с формально бесконечной плотностью,
куда сжалось исходное вещество, образовавшее черную дыру, и где царят
неизвестные пока нам законы квантовой гравитации. Однако передать какуюлибо информацию наружу путешественник не сможет. Он не сможет и
развернуть космический корабль, чтобы выйти из-под горизонта событий.
Внутри черной дыры возможно только движение, причем движение к центру. О
внутренности черной дыры внешний наблюдатель никогда ничего не узнает:
чтобы передать информацию наружу, необходимо послать сигнал со скоростью,
больше скорости света, что запрещено законами физики.
Итак, для далеко неподвижного наблюдателя космический корабль
остановиться вблизи черной дыры, поскольку ход времени на горизонте
событий с точки зрения далекого наблюдателя бесконечно замедляется. Если
теперь обратить ситуацию и посмотреть, что увидит космонавт из окна
космического корабля, зависшего вблизи черной дыры, то оказывается, что для
него все события во внешней Вселенной пробегают в чрезвычайно ускоренном
темпе: практически в один миг своего времени космонавт увидит все
бесконечно продолжительное развитие внешней Вселенной. Правда, энергия
фотонов, принимаемых космонавтом из внешней Вселенной, сместиться в
высокоэнергичную часть спектра, и ему понадобиться специальный прибор,
чтобы вести наблюдение. Космонавт увидит как распухает наше Солнце ,
становясь красным гигантом. Он увидит, как Земля, двигаясь по орбите
испаряется, скользя по верхним слоям атмосферы умирающего Солнца. Затем
он увидит, как от Солнца отделяется внешняя водородная оболочка, и оно
превращается в белый карлик, - словом, он увидит будущее нашей Вселенной.
Таким образом, черная дыра «чувствует» не только прошлое, но и будущее.
Поэтому неудивительно, что связи с открытием в последние годы большого
числа кандидатов в черные дыры ученые серьезно обсуждают
принципиальную возможность создания машины времени.
Но это еще не все из поистине фантастических свойств черных дыр. Если
систему координат пространства-времени проложить под горизонтом событий,
то с точки зрения далекого неподвижного наблюдателя при переходе через
горизонт событий пространственная и временная координата меняются
местами. Если бы космическому кораблю с точки зрения наблюдателя удалось
зайти под горизонт событий, то космонавт для этого наблюдателя двигался уже
не в пространстве, а во времени. Двигаясь внутри не вращающейся черной
дыры, космонавт увидит другую вселенную, причинно не связанную с нашей.
Есть еще более необычные свойства вращающихся черный дыр: у них радиус
горизонта событий меньше гравитационного радиуса, при этом горизонт
событий помещен внутри так называемой эргосферы, содержащей вихревое
гравитационное поле.
Рис 2.
Горизонт событий помещен в эргосферу, содержащей вихревое гравитационное
поле.
Под действием этого вихревого поля все тела, помещенные в эргосферу,
должны непрерывно двигаться. Из эргосферы вращающейся черной дыры
можно так же извлечь энергию, причем с огромным эффективностью, в десятки
раз превосходящей эффективность выделения при термоядерной реакции.
Если черная дыра вращается, то, двигаясь под горизонтом событий, космонавт
в принципе мог бы увидеть не одну, а больше других Вселенных, причинно не
связываемых с нашей. Следует отметить, что, как выяснилось в последнее
время, в случае вращения черной дыры внешние возмущения могут приводить
к неустойчивости ее внутренней структуры пространства-времени, поскольку
внутри самой черной дыры эти возмущения бесконечно возрастают. Поэтому
путешествовать внутри вращающейся черной дыры будет проблематично.
Порой высказываются опасения: а не могут ли черной дыры, своим
гравитационным притяжением поглотить Землю? Эти опасения абсолютно
безосновательны. Эффекты, специфичные для черных дыр, начинают
проявляться лишь на расстоянии порядка нескольких гравитационных
радиусов, то есть не посредственно вблизи черной дыры. На больших
расстояниях гравитационное поле дыр практически не отличается от
ньютоновского, и воздействия черных дыр на Землю ничем не отличаются от
воздействия звезд, то есть исчезающе мало. Достаточно сказать, что расстояние
от известных черных дыр до Земли составляют сотни миллиардов их
гравитационных радиусов.
Черная дыра испускает частицы, ее масса и размер постоянно уменьшается.
Это облегчает другим частицам возможность проделать тоннель наружу, и
потому эмиссия будет продолжаться, постоянно возрастая, пока в конце концов
черная дыры не сойдет на нет. Таким образом, в конечном итоге все черные
дыры во Вселенной испарятся, однако для этого понадобиться действительно
долгое время: черная дыра массой Солнца просуществует 1066 лет. С другой
стороны, первобытная черная дыра должна почти полностью испариться за
десять миллиардов лет, что прошло со времени Большого Взрыва, когда, как
нам известно, возникла Вселенная. Такие черные дыры теперь должны
испускать жестко гамма-излучения с энергией около 100 миллионов электронвольт.
Взрыв черной дыры произведет мощный выброс высокоэнергетических
гамма-излучения. Хотя его можно заметить детекторами гамма-лучей на
спутниках или воздушных шарах, был бы непросто запустить детектор
достаточного размера, чтобы получить существенный шанс уловить
значительное число гамма-фотонов от одного взрыва.
Огромное расширение астрономических наблюдений, начавшееся в
шестидесятых годах, стало причиной возрождения интереса к классической
теории относительности, так как оказалось, что многие ранее неизвестные
явления, такие как квазары, пульсары и компактные источники рентгеновского
излучения, говорят о существовании очень сильных гравитационных полей,
описать которые может лишь общая теория относительности. Квазары — это
похожие на звезды объекты, которые должны быть в несколько раз ярче целых
галактик, если они в самом деле уделены на то расстояние, о котором говорит
смещение их спектра к красному краю; пульсары — это быстро мигающие
остатки взрыва сверхновой звезды; компактные источники рентгеновского
излучения, открытые приборами с космических кораблей, могут быть тоже
нейтронными звездами или, возможно, гипотетическими объектами еще
большей плотности, а именно — черными дырами.
Одной из проблем, с которой столкнулись физики, старавшиеся применить
общую теорию относительности к этим открытым или гипотетическим
объектам, стали попытки состыковать ее с квантовой механикой. За последние
несколько лет были проведены работы, дающие надежды на то, что не так
далеко время, когда мы получим полную непротиворечивую теорию
гравитации, согласующуюся с общей теорией относительности для
математических бесконечностей, преследующих другие квантовые теории поля.
Эти работы основаны на некоторых недавно открытых квантовых эффектах,
имеющих отношения к черным дырам, что обеспечивает замечательную связь
черных дыр с законами термодинамики.
Как можно «увидеть» черные дыры? Одиночную черную дыру нельзя
увидеть. Зато в двойной звездной системе её можно почувствовать, наблюдая за
поведением её видимой соседки. Звезда-компаньон будет вращаться вокруг
общего центра тяжести, что проявляется в периодических смещениях
спектральных линий. Измерив эти смещения, определяют период вращения
двойной системы и массы звезд - компаньона и черной дыры. Методика поиска
черных дыр был предложен 40 лет назад Я.Б.Зельдовичем и американским
физиком Е.Е. Солпитером. Черная дыра будет стягивать на себя вещество
соседки, которое , двигаясь по орбитам, образует газовый диск. Процесс
перетекания называется аккрецией, а скапливаемое вещество- аккреционным
диском, который нагрет до высокой температуры и испускает рентгеновские
лучи. Известны 15 кандидатов в черные дыры массами от 4 масс Солнца до 30
масс Солнца.
Рис.3
Черная дыра перетягивает на себя вещество своей соседки.
Многие астрофизики считают, что в центре Млечного пути находится черная
дыра, масса которой примерно 3,7 миллионов масс Солнца. Сверхмассивная
черная дыра нашей Галактики получила название Стрелец А*. Множество
работ указывало, что Стрелец А* поглощает далеко не все вещество,
находящееся в сфере его "влияния". Авторы нового исследования решили
уточнить, насколько хорош "аппетит" черной дыры в центре Млечного Пути.
Для этого астрономы при помощи рентгеновской обсерватории Chandra сделали
снимок Стрельца А* с экспозицией более двух недель. На полученном
изображении ученые смогли детализировать распределение газа вблизи
горизонта событий - границы черной дыры. Оказалось, что в разные стороны от
черной дыры простираются несколько газовых потоков.
Однако, черные дыры формально неоткрыты. Пока не будут получены
свидетельства отсутствия их наблюдаемой активности в пределах
гравитационного радиуса. Большинство астрофизиков уверены, что найденные
кандидаты действительности черные дыры.
Существуют также сверхмассивные черные дыры, скрывающиеся в ядрах
галактик. Их происхождение , однако, не столь ясно, как звездные черные дыры.
Они образованы на ранних этапах в результате столкновений и слияний звезд в
центре галактик. Работы в последние годы по наблюдению ядер галактик
открыли более 200 кандидатов в сверхмассивные черные дыры. По-видимому,
ядра всех эллиптических и спиральных галактик – сверхмассивные черные
дыры.
Рис. 4
Черные дыры, заснятые космическим телескопом "Хаббл" в центрах шести
галактик. Они втягивают окружающую материю, которая образует спиральные
рукава и падает на черную дыру, навсегда скрываясь за горизонтом событий.
Для утверждения найденных кандидатов нужны новые методы наблюдений.
требующие уникальной аппаратуры. Один из них – метод орбитального
рентгеновского интерферометра, угловое разрешение которого в миллион раз
выше, чем у оптических телескопов.
Заключение.
Чтобы окончательно доказать, что данный небесный объект – черная дыра, надо
увидеть его поверхность и убедиться, что она действительно пуста. Любое
другое тело будет показывать на своей поверхности темные или светлые пятна,
вспышки, переменное излучение. Все типы черных дыр должны быть
непроницаемо темными, лишенные какой-либо активности, т. к. никакой
поверхности у них нет. Для окончательного утверждения найденных
«кандидатов» в действительные черные дыры нужны наблюдения, требующие
уникальной точной аппаратуры. С помощью такой аппаратуры будут
исследованы ядра других близких галактик, где также могут быть
сверхмассивные черные дыры. С большой вероятностью это так и есть. Редкий
астрофизик сейчас не использует по отношению к таким объектам привычный
термин «черная дыра».
Используемая литература и сайты Интернета:
1. Журнал «Наука и жизнь» № 12, 2005 год
2. Журнал «Физика в школе» № 24, 2005 год
3. Журнал «Физика в школе» № 3, 2004 год
4. Журнал «Юный техник» № 2, 1997 год
5. И.Новиков «Черные дыры и Вселенная», М., «Молодая гвардия», 1985 год
6. Энциклопедия для детей, т.8, «Аванта+»
7. В.Г.Сурдин «Астрономия: век xx1», Фрязино, «Век2», 2008 г.
8. С.Хокинг, О.Фейгин «Гений черных дыр», М., «Эксмо», 2010 г
9. С.Хокинг «Краткая история времени», Санкт-Петербург, «Эмфора», 2007
10.protainy.ru
11.astronet.ru