Черные дыры в космическом пространстве

Министерство науки и образования Республики Казахстан

ЕВРАЗИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Л. Н. ГУМИЛЕВА

 

Факультет: ФТФ

Кафедра: КТиТ-13

 

РЕФЕРАТ

на тему:

Черные дыры в космическом пространстве

 

 

 

 

                                                  Выполнила: Жолдасбаева М. Б.

 

                                     Проверила: Шарипова М. К.

 

 

 

 

Астана - 2013

 

Содержание.

Введение.

Черная дыра-область в пространстве-времени.

Основная часть:

1. Мосты между мирами: теория Эйнштейна-Розена.

2. Машины времени.

3. Мини-черные дыры.

Заключение.

Черные дыры - решенная загадка XIX века.

Черные дыры — один из самых необыкновенных объектов, предсказываемых общей теорией относительности Эйнштейна. У черных дыр интересная история, поскольку они преподнесли теоретикам немало сюрпризов, приведших к лучшему пониманию природы пространства-времени. [2]

Все чёрные дыры притягивают газ из окружающего пространства, и вначале он собирается в диск возле нее. От столкновений частиц газ разогревается, теряет энергию, скорость и начинает по спирали приближаться к черной дыре. Газ, нагретый до нескольких миллионов градусов, образует вихрь, имеющий форму воронки. Его частицы мчатся со скоростью 100 тысяч километров в секунду. В конце концов вихрь газа доходит до "горизонта событий" и навечно исчезает в черной дыре. Поскольку же минимальная скорость, необходимая для того чтобы уйти от этой "дыры", будет меньше скорости света, то любой предмет, не упавший непосредственно на ее поверхность, будет иметь шанс покинуть ее пределы. При падении вещества на поверхность черной дыры, должно возникать рентгеновское излучение вследствие большой интенсивности гравитационных полей вокруг него.

В научном мире интерес к черным дырам то затихает (когда уже кажется, что все их тайны разгаданы), то снова разгорается (когда в очередной раз оказывается, что это далеко не так). Впрочем, в последнее время от отсутствия внимания черные дыры явно не страдали. Мосты Эйнштейна-Розена (они же - "червячные норы"), "машины времени", возможное образование мини-дыр в атмосферных ливнях частиц, порождаемых высокоэнергичными космическими лучами (если справедливы предположения о том, что число пространственных макроизмерений нашего мира больше трех), - вот лишь короткий список "горячих" научных тем последнего времени, в которых черные дыры играют главную роль. [1]

В 1935 году А. Эйнштейн и математик Н. Розен обратили внимание на то, что простейшие решения уравнений ОТО, описывающие изолированные, нейтральные или электрически заряженные источники гравитационного поля, имеют пространственную структуру «моста», почти гладким образом соединяющего две вселенные — два одинаковых, почти плоских, пространства-времени.

Такого рода пространственные структуры позднее получили название «кротовые норы» (достаточно вольный перевод английского слова «wormhole» — «червоточина»). Эйнштейн и Розен даже рассматривали возможность применения таких «мостов» для описания элементарных частиц. В самом деле, частица в этом случае — чисто пространственное образование, поэтому нет необходимости специально моделировать источник массы или заряда, а при микроскопических размерах кротовой норы внешний, удаленный наблюдатель, находящийся в одном из пространств, видит лишь точечный источник с определенными массой и зарядом. Электрические силовые линии входят в нору с одной стороны и выходят с другой, нигде не начинаясь и не заканчиваясь. По выражению американского физика Дж. Уилера, получается «масса без массы, заряд без заряда». И в этом случае вовсе не обязательно полагать, что мост соединяет две разные вселенные — ничуть не хуже предположение, что оба «устья» кротовой норы выходят в одну и ту же вселенную, но в разных ее точках и в разные времена — что-то вроде пустотелой «ручки», пришитой к привычному практически плоскому миру. Одно устье, в которое входят силовые линии, можно видеть как отрицательный заряд (к примеру, электрон), другое, из которого они выходят, — как положительный (позитрон), массы же будут одинаковы с обеих сторон.

При всей привлекательности такой картины она (по многим причинам) не прижилась в физике элементарных частиц. «Мостам» Эйнштейна — Розена трудно приписать квантовые свойства, а без них в микромире делать нечего. При известных значениях масс и зарядов частиц (электронов или протонов) мост Эйнштейна — Розена вообще не образуется, вместо этого «электрическое» решение предсказывает так называемую «голую» сингулярность — точку, в которой кривизна пространства и электрическое поле становятся бесконечными. Понятие пространства-времени, пусть даже искривленного, в таких точках теряет смысл, поскольку решать уравнения с бесконечными слагаемыми невозможно. Сама ОТО вполне определенно заявляет, где именно она перестает работать. Вспомним сказанные выше слова: «почти гладким образом соединяющего…». Вот это «почти» и относится к основному изъяну «мостов» Эйнштейна — Розена — нарушению гладкости в самом узком месте «моста», на горловине. И нарушение это, надо сказать, весьма нетривиально: на такой горловине, с точки зрения удаленного наблюдателя, останавливается время…

По современным понятиям, то, что Эйнштейн и Розен рассматривали как горловину (то есть самое узкое место «моста»), на самом деле есть не что иное, как горизонт событий черной дыры (нейтральной или заряженной). Более того, с разных сторон «моста» частицы или лучи попадают на разные «участки» горизонта, а между, условно говоря, правой и левой частями горизонта находится особая нестатическая область, не преодолев которую нельзя пройти нору.

Для удаленного наблюдателя космический корабль, приближающийся к горизонту достаточно крупной (по сравнению с кораблем) черной дыры, как бы навеки застывает, а сигналы от него доходят все реже и реже. Напротив, по корабельным часам горизонт достигается за конечное время. Миновав горизонт, корабль (частица или луч света) вскоре неотвратимо упирается в сингулярность — туда, где кривизна становится бесконечной и где (еще на подходе) любое протяженное тело будет неизбежно раздавлено и разорвано. Такова суровая реальность внутреннего устройства черной дыры. Решения Шварцшильда и Райснера — Нордстрема, описывающие сферически-симметричные нейтральные и электрически заряженные черные дыры, были получены в 1916—1917 годах, однако в непростой геометрии этих пространств физики полностью разобрались лишь на рубеже 1950— 1960-х годов. Кстати, именно тогда Джон Арчибальд Уилер, известный своими работами в ядерной физике и теории гравитации, предложил термины «черная дыра» и «кротовая нора». Как оказалось, в пространствах Шварцшильда и Райснера — Нордстрема кротовые норы действительно есть. С точки зрения удаленного наблюдателя, они не видны полностью, как и сами черные дыры, и — так же вечны. А вот для путешественника, отважившегося проникнуть за горизонт, нора настолько быстро схлопывается, что сквозь нее не пролетит ни корабль, ни массивная частица, ни даже луч света. Чтобы, минуя сингулярность, прорваться «на свет Божий» — к другому устью норы, необходимо двигаться быстрее света. А физики сегодня полагают, что сверхсветовые скорости перемещения материи и энергии невозможны в принципе. [3]

Если Эйнштейна и Розена можно назвать архитекторами кратчайшей дороги сквозь пространство - время, то Кипа Торна из Калтеха можно считать инженером-проектировщиком строительных конструкций. Используя наброски чертежей Эйнштейна и Розена, Торн создал алгоритм, описывающий физику работающей машины времени в строго математическом выражении.

Вместо стягивания пространства вокруг себя, как это делает обычная материя, антигравитация, или, как ее еще называют, отрицательная энергия, разводит его в стороны.      В теории, антигравитация действует внутри горловины проточины и раскрывает ее на ширину, достаточную для прохода сквозь нее астронавта или даже космического корабля.

Эйнштейн впервые высказал гипотезу о существовании антигравитации в 1915 г., правильность этого предположения была доказана восемь десятилетий спустя. Но антигравитация Эйнштейна слаба и скоротечна, как ложка сахара, растворенная в океане. Для раскрытия проточины требуется постоянный поток антигравитации.

На сегодняшний день наиболее перспективным направлением для создания мощной антигравитации считается использование эффекта Казимира. По законам квантовой механики, две плоские металлические пластины, находящиеся друг от друга на расстоянии толщины волоса, способны генерировать небольшое количество негативной энергии. Увеличенная во много раз, эта энергия, в принципе, может быть использована для создания проходимой проточины. Процесс расширения при этом ослабляет силу гравитации, что предохраняет путешественника от гибели.

В то время, как антигравитационные конструкции держат портал раскрытым, путешественник продвигается сквозь него и выходит на поверхность на значительном расстоянии от точки отправления. Но путешественники могут перемещаться не только географически, но и во времени. Таким образом, своей следующей задачей Торн видел десинхронизацию входа в проточину и выхода из нее.

Для решения этой задачи Торн применил старый фокус Эйнштейна. Одна из основных позиций теории относительности предполагает, что для быстро перемещающихся предметов время замедляет свой ход. Торн приложил этот принцип к одной из двух черных дыр, которые образуют червоточину. Представьте себе процесс поимки одной из черных дыр при помощи лассо (например, ее можно поймать и поместить в клетку негативной энергии) и буксировки ее по Вселенной со скоростью, близкой к скорости света. Эта черная дыра и, следовательно, этот конец проточины, будут стареть более медленно, чем ее неподвижное окончание. С течением времени произойдет десинхронизация черных дыр и соединение предметов посредством проточины, но сами черные дыры уже будут существовать в разных эрах. Исследователь, который вошел через неподвижный вход проточины, выйдет из мобильного выхода на много лет раньше своего отправления. Именно это делает проточину настоящим порталом времени.

Следует отметить, что последние разработки в области физики путешествия во времени появились в 1991 г., когда астрофизик Дж. Ричард Готт высказал предположение, что гипотетические объекты, названные космическими суперструнами, могут позволить астронавту совершить путешествие в прошлое. Суперструны - это длинные, тонкие объекты, которые, по мнению космологов, появились на самых ранних периодах образования Вселенной. Они бесконечно длинны и не шире атома, но настолько плотные, что несколько километров одной космической струны может перевесить Землю.

  Предположение Готта основывается на идеализированном понятии космических струн. Для того, что бы их можно было использовать в качестве машины времени, две космические струны должны двигаться параллельно друг другу со скоростью света, как две машины, на встречных полосах по шоссе. При встречном движении струн, пространство-время будет сильно искривляться под влиянием этих быстро движущихся нитей. Путешественник во времени может использовать эти искривления, пролетая вокруг сдвоенных струн на космическом корабле. Если он правильно рассчитает время, искривления пространства-времени позволят ему вернуться в исходную точку. Все это означает, что согласно законам физики, перемещения во времени - возможны, но очень трудно достижимы. [4]

В 1974 году английский физик Стивен Хокинг предположил, что в ходе Большого взрыва вращающиеся массы материи и радиация произвели местами невероятное давление, которое в первые моменты образования Вселенной создало бесчисленные черные дыры различных масс, от звезды до крошечных объектов в килограмм и менее. Черные дыры массой меньше звезд Хокинг назвал «мини-черными дырами».

Расчеты Хокинга показали, что черные дыры не абсолютно сохраняют всю свою массу, но у материи есть возможность ускользнуть из них. Очевидно, для пар субатомных частиц имеется возможность образовываться прямо на радиусе Шварцшильда и спешить прочь в противоположных направлениях. Одна из частиц погружается обратно в черную дыру, другая сбегает. Этот постоянный побег субатомных частиц заставляет черную дыру вести себя так, словно у нее высокая температура, и медленно испаряться.

Чем менее массивна черная дыра, тем выше ее температура и тем сильнее ее тенденция к испарению. Это означает, что, когда мини-черная дыра в результате испарения сокращается, ее температура повышается и темп испарения неуклонно увеличивается до тех пор, пока остатки мини-черной дыры со взрывной силой не разлетаются и она не исчезает.

Очень маленькие мини-черные дыры не выдержали бы 15 миллиардов лет истории Вселенной и уже полностью бы исчезли. Однако, если бы у мини-черной дыры масса была побольше, для начала хотя бы с айсберг, она бы была достаточно холодной, испарялась достаточно медленно и все еще существовала. Если бы за время существования ей удалось увеличить свою массу, что, вероятно, она могла бы сделать, то она охладилась бы еще больше и продлилось бы время ее существования.

 Даже если допустить исчезновение самых малых (и наиболее многочисленных) мини-черных дыр, все же может существовать очень много мини-черных дыр с массой порядка от массы маленького астероида до массы Луны. Хокинг подсчитал, что в Галактике может быть порядка трех сотен мини-черных дыр на кубический световой год. Если они придерживаются общего распределения материи, то большинство их находится в галактическом ядре. На окраине, где находимся мы, примерно тридцать мини-черных дыр на кубический световой год. В этом случае среднее расстояние между мини-черными дырами примерно в пятьсот раз больше, чем расстояние между Солнцем и Плутоном. Самая ближняя к нам мини-черная дыра может находиться на расстоянии 1,6 триллиона километров.

Но даже на этом расстоянии (очень малом по космическим меркам) имеется достаточно места для маневра, и невелика вероятность, что дыра причинит ущерб. Мини-черной дыре, чтобы нанести ущерб, нужно нанести прямой удар, в то время как для черной дыры размером со звезду этого не требуется. Черная дыра размером со звезду может миновать Солнце на существенном расстоянии, но, проходя по соседству с Солнечной системой, способна вызвать приливной эффект на Солнце, что может серьезно повлиять на его свойства. Она может также значительно возмутить орбиту Солнца с неблагоприятными последствиями; или, что касается Земли, гибельно возмутить ее орбиту.

 С другой стороны, мини-черная дыра может пройти по Солнечной системе вообще без какого-нибудь заметного влияния на Солнце, крупные планеты и спутники. Насколько нам известно, некоторое количество мини-черных дыр проскользнуло мимо нас, а несколько, может быть, двигаются среди планет, не причиняя нам никакого вреда.

 Однако что случится, если мини-черная дыра и впрямь попадет в Солнце? Что касается ее массы, то, насколько можно судить, это не оказало бы на него серьезного воздействия. Даже если бы мини-черная дыра имела массу Луны, она составила бы только 1/26 000 000 массы Солнца, приблизительно то, что для вас десятая часть капли воды.

 Но масса – это еще не все, что имеет значение. Если бы Луна направилась на столкновение с Солнцем, то, если бы она не двигалась очень-очень быстро, она бы испарилась еще до попадания в Солнце. Даже если бы часть ее и сохранилась ко времени столкновения, она бы не проникла очень глубоко, не превратившись в пар.

 Мини-черная дыра, однако, не превращалась бы в пар и не испытывала бы на себе в каком-либо смысле воздействия Солнца. Она бы просто пряталась, поглощала по пути массу, вырабатывая огромную энергию. Она бы росла всю дорогу и прошла бы сквозь Солнце, представляя собой на выходе гораздо более крупную мини-черную дыру, чем на входе.

 Что это может повлечь за собой для Солнца, сказать очень трудно. Если бы мини-черная дыра нанесла скользящий удар и просто прошла через верхние слои Солнца, эффект мог бы и не быть губительным. Однако, если бы мини-черная дыра нанесла удар Солнцу в лоб и пробилась бы через его центр, это подорвало бы тот регион Солнца, в котором происходят ядерные реакции и вырабатывается солнечная энергия.

 Наконец, предположим, что мини-черная дыра ударит по Солнцу со скоростью, относительно него сравнительно невысокой. Сопротивление, которое она встретит, проходя через материю Солнца, может замедлить, остановить ее, но, оставаясь в пределах Солнца, она опустится к его центру.