Черные дыры

Основные данные о работе

Содержание

1. Чёрные дыры………………………………………………………….3

Основная часть

Чёрные дыры.

Черная дыра – один из самых загадочных объектов во Вселенной. О возможности существования  черных дыр говорили многие известные  ученые, в том числе и Альберт Эйнштейн. Черные дыры своим названием обязаны американскому астрофизику Джону Уиллеру.

Чёрная дыра́ — это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света).

Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение которой свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Такую поверхность называют "горизонтом событий". Поскольку до сих пор имеются лишь косвенные указания на существование черных дыр на расстояниях в тысячи световых лет от Земли, дальнейшее изложение основывается главным образом на теоретических результатах. Черные дыры, предсказанные общей теорией относительности (теорией гравитации Эйнштейна ) и другими, более современными теориями тяготения, были математически обоснованы Р.Оппенгеймером и Х. Снайдером в 1939. Но свойства пространства и времени в окрестности этих объектов оказались столь необычными, что астрономы и физики в течение 25 лет не относились к ним серьезно. Однако астрономические открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры как на возможную физическую реальность. Их открытие играет не маловажную роль и изучение может принципиально изменить наши представления о пространстве и времени.

Во Вселенной можно встретить два типа черных дыр:

1. Массивные черные дыры – огромные тела, масса которых в миллионы раз больше массы Солнца. Такие объекты, как предполагают ученые, размещены в центре галактик. В центре нашей Галактики тоже находится гигантская Черная дыра. Ученым пока не удалось выяснить причины появления таких огромных космических тел.

2.Черные дыры возникающие в результате сжатия гигантских умирающих звезд, масса которых больше трех масс солнца. Во время сжатия гравитационное поле звезд все сильнее уплотняется и в результате сжимается до такой степени, что свет не в силах преодолеть ее притяжение. Вследствие этого область черной дыры не может покинуть ни излучение, ни любое вещество. Поэтому-то их и назвали «черными»: тело, которое только поглощает свет, а не выпускает его, выглядит абсолютно черным. Черная дыра также обладает возможностью искривлять пространство и время.

Ученые доказали, что существование  черных дыр не противоречит ни одному закону физики, но, тем не менее, сегодня не существует абсолютных доказательств, что подобные объекты есть во Вселенной.

Две важнейшие черты, присущие чёрным дырам — это наличие горизонта  событий и сингулярности, которая отделена этим горизонтом от остальной вселенной.

Горизонт событий находится  на радиусе Шварцшильда, который ограничивает пространство внутри черной дыры. Информация о любом событии произошедший за горизонтом событий внутри черной дыры не может пересечь горизонт событий.

Сингулярность, это область внутри черной дыры, там, где решения уравнений  гравитации не имеют четких физических интерпретаций. Другими словами, ученые, опираясь на весь свой накопленный  опыт, еще не в состоянии дать внятный ответ на вопрос: что происходит в черной дыре?.

Черные дыры—это объекты, качественно  отличающиеся от всего известного науке. Черной дырой называется масса, сжавшаяся  настолько сильно, что возросшее  гравитационное поле не выпускает даже лучи света. Из черной дыры не может вылететь никакая частица, не может выйти никакое излучение, так как ничто не способно двигаться быстрее света. В сильном гравитационном поле черной дыры медленнее течет время, а свойства пространства описываются неэвклидовой («искривленной») геометрией. По современным представлениям, в черные дыры превращаются достаточно массивные звезды в конце своей эволюции. Поле тяготения не выпускает света, когда звезда сжимается до размеров гравитационного радиуса. Для превращения в черную дыру Солнце должно сжаться до радиуса 3 км.

В черную дыру могут падать и тела, и свет, но из нее ничто не может  выйти.

Внешний наблюдатель никогда не узнает, что происходит внутри черной дыры. Увидеть, что происходит внутри черной дыры, даже достигнув ее края, невозможно. Из черной дыры ничто не возвращается, ничто не выходит во внешнее пространство.

Силы тяготения заставят все  тела (и даже свет внутри черной дыры) двигаться только к центру. Движение от центра невозможно.

В чёрной дыре под воздействием гравитации все молекулы и атомы разрушаются, разделяются на протоны, нейтроны и прочие составляющие, без промежутков и орбит, плотно спрессовываются. Когда величина такой спрессованной массы становится критической, происходит взрыв и тогда образуются новые галактики.

Процесс втягивания в чёрные дыры звёзд, планет и т.д. с последующим взрывом – циклический, о чём свидетельствуют сжимающиеся (в чёрную дыру) и разбегающиеся (после взрыва) галактики.

Черные дыры во Вселенной.

Черные дыры могут внезапно обнаружиться во множестве различных астрофизических объектов. Возможно, нам когда-нибудь удастся открыть черные дыры массой от 2—3 до 100 масс Солнца, образовавшиеся в результате гравитационного коллапса звезд. Черные дыры массой в несколько тысяч солнечных масс могут находиться в центре массивных шаровых звездных скоплений; существует мнение, что сверхмассивные черные дыры в несколько миллионов и даже миллиардов масс Солнца могут быть ядрами активных галактик, в частности радиогалактик, или таких загадочных объектов, как квазары. На другом конце шкапы масс располагаются первичные черные дыры, масса которых может принимать самые различные значения в интервале, ограниченном снизу массой примерно в миллиард тонн. Высказывалась мысль, что большое количество невидимого вещества Вселенной может быть заключено в черных дырах, блуждающих в межгалактическом пространстве. Если таких дыр много, то их гравитационное воздействие может существенным образом сказаться на ходе развития Вселенной; обсуждению этой проблемы посвящена следующая глава.

Черные дыры столь часто привлекались для “объяснения” самых разнообразных астрономических явлений, что возникает опасение, как бы они не превратились в единственный способ разрешения астрофизических проблем. Конечно, в некоторых случаях использование представлений о черных дырах вполне обоснованно, но не следует забывать, что на сегодняшний день реальность существования черных дыр окончательно не доказана.

Поиски черных дыр.

Не следует ожидать, что черные дыры удастся легко обнаружить. Одиночная  черная дыра средней (или большей) звездной массы должна быть действительно “очень черной”. Если бы случилось так, что космический корабль двигался в пространстве прямо на черную дыру (что в высшей степени маловероятно), он мог бы влететь в нее, даже не заметив этого, пока не стало бы слишком поздно. Совершенно очевидно, что направленный вперед по ходу движения корабля луч радиолокатора или лазера не предупредил бы экипаж об опасности.

Один из возможных  способов обнаружения черной дыры связан с эффектом гравитационной линзы. Вблизи массивного тела луч света отклоняется от своего первоначального направления так, словно проходит через оптическую линзу. Величина отклонения луча зависит от массы тела и минимального расстояния, на которое луч подходит к массивному телу. Черная дыра может собрать лучи света в одну точку — фокус, и находящийся в этом фокусе наблюдатель увидит увеличенное изображение удаленного объекта, расположенного точно за черной дырой. В случае идеального точечного источника света и точечной гравитационной линзы (т. е. когда черная дыра достаточно мала, чтобы ее массу можно было считать сконцентрированной в точке), изображение также будет собрано в точку, подобно изображению звезды, наблюдаемой в телескоп. Изображение распределенного в пространстве источника примет форму кольца или двух полумесяцев, если источник, “линза” и наблюдатель находятся не строго на прямой линии, т. е. если “линза” смещена относительно луча зрения.

Если бы во Вселенной  существовало достаточно много сверхмассивных черных дыр (с массой в 10 солнечных масс каждая), то эффект гравитационной линзы проявился бы в распределении галактик по небесной сфере (в частности, радиогалактик и далеких квазаров). Подобного рода эффекты пока еще не были замечены, а это означает, что очень массивные черные дыры, если они вообще есть,— явление, очень редкое во Вселенной. Впрочем, в одном случае весьма убедительно доказано раздвоение изображения одного и того же квазара; однако предполагается, что роль гравитационной линзы здесь играет массивная галактика, лежащая на пути лучей света, идущих к нам от этого квазара. Действительно, роль гравитационной линзы может играть любое массивное тело, но, чем оно симметричней, тем лучше “оптические свойства” такой линзы.

Однако до сих пор  с помощью эффекта гравитационной линзы не удалось найти ни одной черной дыры. Нельзя ли подойти к подобной проблеме как-нибудь иначе? В этом нам могли бы помочь специфические свойства черных дыр. Легко показать, что точка солнечного “фокуса” находится на расстоянии, равном 10 радиусам орбиты— Прим. ред. дыры — компактные объекты с большой массой (первичные черные мини-дыры мы в расчет не принимаем); они не испускают из-под горизонта событий доступного для наблюдения излучения (черные мини-дыры опять не в счет) и поэтому невидимы; обладая сверхсильными гравитационными полями, черные дыры могут быть мощными источниками энергии. Учитывая эти особенности, мы, скорее всего, сможем найти черную дыру по ее воздействию на соседние с ней объекты; наиболее заметно эти эффекты должны проявиться, когда черная дыра находится вблизи обычного вещества. Проявления черных дыр следует искать по траекториям близких к ним звезд или по наличию очень мощных и сверхкомпактных источников энергии.

По современным представлениям, существует четыре способа образования  черной дыры:

Гравитационный коллапс  достаточно массивной звезды на конечном этапе её эволюции.

Коллапс центральной  части Галактики. Например, в центре нашей Галактики находится чёрная дыра Стрелец A* массой 3,7 солнечных  масс. Этот способ схож с предыдущим, с той лишь разницей, что звезда не образуется, как это обычно бывает при гравитационном сжатии межзвездного газа. Масса газа настолько велика, что сжатие идет сразу до образования черной дыры.

Формирование чёрных дыр в момент Большого взрыва, в  результате флуктуаций гравитационного поля или материи.

 Возникновение чёрных  дыр в ядерных реакциях при  высоких энергий — квантовые  чёрные дыры.

Исчезновение информации в чёрной дыре.

Исчезновение информации в чёрной дыре представляет серьёзнейшую проблему, стоящую перед квантовой гравитацией, поскольку оно несовместимо с общими принципами квантовой механики.

В рамках классической (неквантовой) теории гравитации чёрная дыра — объект неуничтожимый. Она может только расти, но не может ни уменьшиться, ни исчезнуть совсем. Это значит, что в принципе возможна ситуация, что попавшая в чёрную дыру информация на самом деле не исчезла, она продолжает находиться внутри чёрной дыры, но просто ненаблюдаема снаружи. Иная разновидность этой же мысли: если чёрная дыра служит мостом между нашей Вселенной и какой-нибудь другой вселенной, то информация, возможно, просто перебросилась в другую вселенную.

Интересные факты из жизни черных дыр

Некоторые черные дыры считаются  более активными, чем их спокойные  соседи. Активные черные дыры поглощают окружающее вещество, а если в полет тяготения попадет «зазевавшаяся» звезда, пролетающая мимо, то она непременно будет «съедена» самым варварским способом (разорванная в клочья). Поглощаемое вещество, падая на черную дыру, нагревается до огромных температур, и испытывает вспышку в гамма, рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне. В центре Млечного Пути так же находится сверхмассивная черная дыра, но ее труднее изучать, чем дыры в соседних или даже далеких галактиках. Это связано с плотной стеной газа и пыли, встающей на пути центру Нашей Галактики, ведь Солнечная система находится почти на краю галактического диска. Поэтому наблюдения активности черных дыр гораздо эффективней у тех галактик, ядро которых хорошо просматривается. При наблюдении одной из далеких галактик, расположенной в созвездии Волопаса на расстоянии 4-х миллиардов световых лет, астрономам впервые удалось отследить от начала и почти до конца процесс поглощения звезды супермассивной черной дырой. В течение тысяч лет этот гигантский коллапсар тихо-мирно покоился в центре безымянной эллиптической галактики, пока одна из звезд не осмелилась приблизиться к ней достаточно близко.

Мощная гравитация черной дыры разорвала звезду на части. Сгустки  вещества начали падать на черную дыру и при достижении горизонта событий, ярко вспыхивать в ультрафиолетовом диапазоне. Эти вспышки и зафиксировал новый космический телескоп NASA, изучающий небо в ультрафиолете. Телескоп и сегодня продолжает наблюдать за поведением отличившегося объекта, т.к. трапеза черной дыры еще не закончилась, а остатки звезды продолжают падать в бездну времени и пространства. Наблюдения таких процессов, в конце концов, помогут лучше понять, как черные дыры развиваются вместе с их родительскими галактиками (или, наоборот, галактики развиваются с родительской черной дырой). Более ранние наблюдения показывают, что подобные эксцессы не редкость во Вселенной. Ученые подсчитали, что в среднем звезда поглощается сверхмассивной черной дырой типичной галактики один раз в 10000 лет, но поскольку галактик большое количество, то наблюдать поглощения звезд можно гораздо чаще