Реферат: Черные дыры

С О Д Е Р ЖА Н И Е

1.<span Times New Roman"">    

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………….3

2.<span Times New Roman"">    

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ………………………………………………………………………...5

3.<span Times New Roman"">    

ДРУГИЕ ТИПЫ ЧЕРНЫХ ДЫР

3.1. Вращающиеся черные дыры……………………………………………………...11

3.2. Черные дыры с электрическимзарядом…………………………………….13

4.<span Times New Roman"">    

В ПОИСКАХ ЧЕРНЫХ ДЫР…………………………………………………..16

5.<span Times New Roman"">    

КАНДИДАТЫ НА РОЛЬ ЧЕРНЫХ ДЫР………………………………19

6.<span Times New Roman"">    

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………21

7.<span Times New Roman"">    

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………...……………23<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA">

В В Е Д Е Н ИЕ

…черные дыры – это самыесовершенные

макроскопические объекты воВселенной.

Ведь для их построения достаточно поня-                                                     тий о времени и пространстве.                                                                  С. Чандрасекар

     В последнее время внимание астрономовпривлекло одно из самых странных в мире открытий. В соответствии с общейтеорией относительности в космосе должны существовать объекты, которые обладаютстоль сильными гравитационными полями, что планеты, звезды, астероиды и другиелюбые тела, затянутые в них, просто разрушаются. Еще более странно то, что,попав в такое поле, никто и ничто не может оттуда выбраться и перестаетсуществовать в нашей Вселенной. Такие объекты называют черными дырами<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[1]

.

<div v:shape="_x0000_s1040">

Рис. 1. Возможно, так выглядит черная дыра в космосе. Скопление звезд около нее — оптическая иллюзия, вызванная сильным искривлением простран­ства в окрестности дыры

  <img src="/cache/referats/18330/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">   В последние годы проблема черных дырвызывает огромный интерес, хотя сама идея не нова, ей уже около 200 лет.Английский астроном Джон Митчелл еще в 1784 году доказал, что если масса звездыбудет достаточно велика, то свет не сможет покинуть ее, т. е. для нас она будетневидима. Через несколько лет к такому же выводу пришел французский ученый ПьерЛаплас.

     Обнаружение черных дыр изумило научнуюобщественность и побудило известного американского физика-теоретика К. Торнанаписать следующие строки: «Из всех измышлений человеческого ума, от единорогови химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое – это образ чернойдыры – отделенной от остального пространства определенной границей, которуюничто не может пересечь; дыры, обладающей настолько сильным гравитационнымполем, что даже свет задерживается его мертвой хваткой; дыры, искривляющейпространство и тормозящей время. Подобно единорогам и химерам, черная дыракажется более уместной в фантастических романах или в мифах древности, чем вреальной Вселенной. И, тем не менее, законы современной физики фактическитребуют, чтобы черные дыры существовали»<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[2]

.

     Черные дыры должны играть значительнуюроль во Вселенной. Так, по предварительным подсчетам, только в нашей Галактикенасчитывается около миллиарда черных дыр. Предполагают, что в центрах шаровыхскоплений звезд, а также в центре Галактики находятся черные дыры. Естьгипотезы, согласно которым необычно высокое излучение квазаров и так называемыйпарадокс масс объясняются влиянием черных дыр. И вообще астрофизики все чащеначинают объяснять различные загадочные космические явления действием черныхдыр.

     Не исключено, что черные дыры могутактивно влиять и на дела земные. Эти экзотические космические тела могут«подсказать» людям принципиально новые источники энергии. Так, например, при падениивещества в черную дыру на единицу массы выделяется энергия, имеющая величину напорядок большую, чем в ядерных реакциях. Или другой пример, связанный сэффектом испарения черных дыр. Этот эффект имеет существенное значение длямикрочерных дыр, характеризующихся мизерными размерами (порядка размеровэлементарных частиц и меньше), но довольно ощутимой по земным масштабам массой(около 1 млрд. т.). На последней стадии испарения, когда масса черной дырыстановится равной примерно 1 тыс. т., за одну десятую доли секунды выделяетсяэнергия, равная энергии взрыва миллиона мегатонных термоядерных бомб!

     Пока еще трудно конкретно что-либо сказатьо практических путях использования энергии черных дыр. Не исключено, что вбудущем черные дыры смогут послужить человечеству не только как самые мощные икомпактные источники энергии, но и как наиболее экологически чистые,поглощающие отработанное вещество.

     Физика и астрофизика черных дыр получилиширокое признание научной общественности. Им посвящено множество статей,десятки монографий, проблемы черных дыр активно обсуждаются на научныхконференциях. Фактом признания важности этих проблем для науки в целом былоприсуждение в 1983 г. Нобелевской премии американскому ученому  С. Чандрасекару за цикл работ по эволюциизвезд<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[3]

.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

    Черныедырыявляются абсолютно поглощающими объектами: они только вбирают в себявещество и излучение, но ничто, даже свет, не может вырваться из них. Чёрныедыры образуются в результате коллапса гигантских звёзд массой более трёх массСолнца.

     Джон Мичел в1783 г. представил в журнал «Философские труды ЛондонскогоКоролевского общества» свою работу, в которой он указывал на то, что достаточномассивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное поле,что свет не сможет выйти за его пределы: любой луч света, испущенныйповерхностью такой звезды, не успев отойти от нее, будет, втянут обратно еегравитационным притяжением<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[4]

.Мичел считал, что таких звезд может быть очень много. Несмотря на то, что ихнельзя увидеть, так как их свет не может до нас дойти, мы, тем не менее, должныощущать их грави­тационное притяжение. Подобные объекты называют сейчас черны­мидырами, и этот термин отражает их суть: темные бездны в космическомпространстве.

     Чтобы понять, как возникает черная дыра,надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезды.

    В первой половине ХХ в. были заложены основы теории эволюции звезд исделан вывод о том, что конечным продуктом их эволюции могут быть объекты,имеющие размеры своего гравитационного радиуса, а именно — черные дыры.

     Звездные объекты в своей эволюции проходяттри качественно различные стадии:протозвезды – звезды – постзвезды. На каждой стадии происходит необратимаяпотеря энергии. Звезды образуются из так называемых протозвезд, которым предшествуют сжимающиеся облака вещества<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[5]

.

     Когда сжимающееся облако станетнепрозрачным для своего инфракрасного излучения, его излучательность резкоуменьшится. Облако продолжает сжиматься, но несколько медленнее. Одновременнобольшая часть освобождающейся в результате сжатия потенциальной энергии идет нанагрев облака. Такой объект нельзя назвать облаком: это уже настоящая протозвезда(до-звезда).

     Протозвезда – эмбрион, зародыш настоящейзвезды. Эмбриональный период в развитии звезды длится десятки миллионов лет. Втечение данного периода плотность протозвезды увеличивается, а температураповышается до уровня, достаточного для протекания термоядерных реакций в еецентральных областях.

     В результате образования протозвезды издиффузного облака потенциальная гравитационная энергия переходит в тепловую,которая затем излучается. Протозвезда самопроизвольно не может стать облаком,так как необходимая энергия рассеяна. Нужен некоторый дополнительный источникэнергии, чтобы вещество протозвезды могло рассеяться в космическоепространство.

     С началом протекания термоядерных реакцийзаканчивается эмбриональный период в развитии звездного объекта и наступаетпериод его активной жизни. Это и есть рождение звезды. В активный период, которыйдлится миллиарды лет, звезда излучает энергию за счет термоядерных реакций,протекающих в ее недрах. С образованием звезды прекращается процесс сжатия, таккак устанавливается равновесие между тепловым давлением вещества звезды игравитационным давлением, которое стремится сжать звезду. Наступает периодмедленной эволюции, постепенного выгорания ядерного горючего.

     Запасы ядерного горючего в звезде хотя иогромны, но конечны. После исчерпания источника ядерной энергии звезда«умирает», образуется звездный «труп» — постзвезда.Под термином «постзвезда» понимаются космические объекты, являющиеся конечнымпродуктом эволюции звезд. В этот класс объектов входят белые карлики,нейтронные звезды, черные дыры, а также гипотетические гиперонные звезды и «пигмеи».

     Звезда, исчерпавшая свое ядерное горючее,возможно, сразу и не образует черной дыры в результате прямого релятивистскогоколлапса. Если звезда невелика (меньше одной массы Солнца), коллапсрастягивается на миллионы лет, но для массивных звезд он происходит практическимгновенно. Ядро звезды начинает стремительно сжиматься, и меньше чем затысячную долю секунды звезда превращается в черную дыру. Вскоре после началасжатия происходит всплеск рентгеновского и гамма-излучения. Коллапс продолжается,и фотонам становится все труднее противостоять растущему притяжению. Фотоны, которые покидают поверхность под углом,имеют искривленную траекторию (как следует из общей теории относительности). Теже, которые улетают по траекториям, параллельным поверхности, остаются наорбите вокруг звезды, и через долю секунды не один фотон уже не может вырваться– звезда прошла то, что называется горизонтомсобытий<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[6]

.                                                            Мы уже  не можем непосредственнонаблюдать ее; на томместе, где была звезда, видна только черная сфера.

Гало, вызываемое веществом, падающим в черную дыру

Горизонт событий (гравитационный радиус)

Сечение горизонта событий

Фотонная сфера

Рис. 2. Черная дыра «в разрезе». Показаны горизонт

 событий и cингулярность в центре.

<img src="/cache/referats/18330/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1069 _x0000_s1070 _x0000_s1071 _x0000_s1072 _x0000_s1073 _x0000_s1074 _x0000_s1076">


Однаковещество звезды продолжает коллапсировать и за горизонтом событий; более того, коллапспродолжается вечно, и, в конце концов, вещество сжимается до нулевого объема вцентре звезды. Этот центр называется сингулярностью<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[7]

.Следовательно, образование черных дыр для космической материи представляетсобой не формальную возможность, а является закономерным и неизбежным этапомэволюции.

УравнениеШварцшильда

     В 1916 г., всего лишь через несколькомесяцев после того, как Эйнштейн опубликовал свои уравнения гравитационногополя в общей теории относительности, немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел ихточное решение, которое, как оказалось впоследствии описывает геометриюпространства-времени вблизи идеальной черной дыры<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[8]

.Это решение Шварцшильда описывает сферически симметричную черную дыру,характеризующуюся только массой.Породившая эту черную дыру гипотетическая умирающая звезда должна не вращатьсяи быть лишенной как электрического заряда, так и магнитного поля. Веществотакой умирающей звезды падает по радиусу «вниз» к центру звезды, и говорят, чтополучившаяся черная дыра обладает сферической симметрией. Такая шварцшильдовская черная дыра представляетсобой самый простой из всех возможных типов черной дыры. Она состоит изсингулярности, окруженной горизонтом событий на расстоянии 1 шварцшильдовскогорадиуса.

     Для понимания того, что представляет собойчерные дыры, важное значение имеет так называемый гравитационный радиус. Размеры дыр характеризуются гравитационнымрадиусом, равным

Rg = 2GM/с2

где G – гравитационная постоянная:G = 6,67 * 10-11H * м2* кг-2;             М – масса тела; с – скорость света в вакууме: с = 3,00 * 108 м * с-1.

     Сфера, описанная гравитационным радиусом,называется сферой Шварцшильда<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[9]

.Она является особенной (сингулярной) поверхностью, на которой временнаякоордината обращается в нуль, а пространственная в бесконечность.Гравитационный радиус (а следовательно, и сфера Шварцшильда) задается одной переменной– массой, т.е. телу с определенной массой должен соответствовать конкретныйгравитационный  радиус. Если взять любоетело и мысленно поместить его массу под сферу Шварцшильда, то тело сжимается иполучается черная дыра. Если же представить обратное: та же масса не сжимается, арасширяется под сферой Шварцшильда, то данный объект – белая дыра. Найтиестественные механизмы того, как тело может сжаться до гравитационного радиусаили оказаться под ним, — значит объяснить природу образования черных и белыхдыр во Вселенной.

     Поверхность Шварцшильда задает особенностиповедения черной дыры для удаленного наблюдателя. Быстрое сжатие вблизи сферыШварцшильда для наблюдателя резко замедляется. Когда поверхность черной дырыприближается к сфере Шварцшильда, темп времени стремится к нулю, а силы – кбесконечности. Уравнение движения таково, что поверхность черной дыры достигаетсферы Шварцшильда за бесконечный промежуток времени. Но за очень короткое время(порядка  10-3с) для внешнего наблюдателя объектисчезает. Из черной дыры для данного наблюдателя не поступают никакие сигналы.Она себя никак не проявляет, за исключением гравитационного статического поля,и представляет собой односторонний «клапан».

     Черные дыры известны в науке и под другиминазваниями: застывшаязвезда, гравитационная могила, коллапсар, флуктуар, отон<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[10]

.Во всех этих названиях нашли отражение различные свойства и особенности черныхдыр. Так, термин «застывшая звезда»отражает тот факт, что отдаленного наблюдателя процессы, происходящие на чернойдыре, очень замедляются, как бы застывают. Название «гравитационная могила» говорит о том, что космическая материя,оказавшаяся в черных дырах, якобы выходит из активных процессов развития, какбы умирает. В термине «коллапсар»нашел отражение процесс образования черных дыр, которые рождаются из веществазвезды в результате катастрофического гравитационного сжатия – релятивистскогоколлапса. В названии «флуктуар»переданы опосредованные особенности черных дыр, проявляющиеся себя черезфлуктуирующее (произвольно меняющееся) излучение окружающего их вещества.Термин «отон» обозначает болееширокий класс релятивистских объектов, предсказанных ОТО, в который кромечерных дыр входят еще белые и серые дыры.

     Только в одном белые дыры подобны черным: и те и другие – дыры, вовсем остальном они различны. Белые дыры называют антиколлапсарами, так как в отличие от черных дыр они не сжимаются,а расширяются – антиколлапсируют. Если черная дыра – коллапсирующий отон, тобелая – антиколлапсирующий. Иногда белые дыры называют малыми взрывами (в отличиеот Большого Взрыва, который привел к возникновению и последующему расширениюнашей Метагалактики). Согласно одному из возможных вариантов образования белыхдыр, предложенному советским астрофизиком И.Д. Новиковым, они возникли врезультате задержки в так называемых ядрах части материи Большого Взрыва. Всвязи с этим белые дыры иногда называют задержавшимисяядрами.

    Свойства черных и белыхдыр объединены в серых дырах. Так,серая дыра, антиколлапсируя и проявляя себя вначале как белая звезда, затемколлапсирует под гравитационный радиус и превращается в черную дыру. Приопределенных условиях это неоднократно повторяется, отон как бы колеблется,осциллирует, и в данном случае серая дыра называется осциллирующим отоном. При более детальном анализе серых дыр можновыделить светло- и темно-серые дыры. Но всем отонам присуще одно общее свойство– они являются дырами в пространстве-времени.

ДРУГИЕ ТИПЫ ЧЕРНЫХ ДЫР

Вращающиесячерные дыры

     Черная дыра, о которой шла речь выше,относится к невращающимся. Однако большинство, если не все, звезды вращаются,и, следовательно, вращаются образовавшиеся из них черные дыры.

     Мысль о том, что достаточно реалистическиемодели черных дыр должны обладать вращением, не нова. Однако целых пятьдесятлет после создания общей теории относительности во всех расчетах использовалосьтолько решение Шварцшильда. Все понимали, что нужно учитывать влияние вращения,но никто не мог правильно решить уравнения Эйнштейна. Собственно говоря, полноерешение уравнений гравитационного поля с учетом вращения должно зависеть отдвух параметров – массы черной дыры и момента количества движения дыры. Крометого, это решение должно быть асимптотически плоским, т. е. вдали от чернойдыры пространство-время должно становиться плоским. Но уравнениягравитационного поля настолько сложны математически, что никому не удавалосьотыскать ни одного точного решения, удовлетворяющего этим простым требованиям.

     Решительный шаг вперед в этом направлении былсделан в 1963 г., когда Рой Керр, австралийскийматематик, работавший тогда в  Техасскомуниверситете, нашел полное решение уравнений гравитационного поля вращающейсячерной дыры<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[11]

.Решение это сложнее предложенного Шварцшильдом, и соответственно сложнееповедение черной дыры. Впервые почти за полсотни лет после основополагающейработы Эйнштейна астрофизики получили, наконец, математическое описаниегеометрии пространства-времени, окружающего массивный вращающийся объект. В1975 году была доказана единственность решения Керра. Получение решения Керраявляется одним из важнейших достижений теоретической астрофизики середины ХХ в.

     Как только наблюдатель приблизится кчерной дыре Керра, он начнет вращаться в том же направлении, что и эта дыра. Ичем ближе он к этой черной дыре, тем выше будет скорость вращения. Наопределенном расстоянии от оси вращения он обнаружит, что вращается соскоростью, близкой к световой. Та поверхность, на которой это произойдет,называется статическим пределом. Если же проникнуть за него, то можнообнаружить, что в такой черной дыре есть свой горизонт событий, и так же, как вслучае со шварцшильдовской черной дырой, форма у него сферическая. С другойстороны, поверхность, соответствующая статическому пределу, сплющена и соприкасаетсяс горизонтом событий только у полюсов. Область между этими поверхностяминазывается эргосферой<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[12]

.

     Попав за горизонт событий, мы обнаружим сингулярность, хотя и отличную отпредыдущей – тут она имеет форму кольца. Есть и другое важное отличие. Эйнштейнпоказал, что в случае шварцшильдовской черной дыры, для того, чтобы пройтичерез связанную с ней кротовую нору, необходимо иметь скорость больше световой.В случае, рассмотренном Керром, скорость может быть меньше световой.

     Рассмотрим подробнее коллапс вращающейсязвезды. Прежде всего, нам известно, что если звезда вращается, то по мересжатия она будет вращаться все быстрее в соответствии с законом сохранениямомента импульса. У коллапсирующей звезды, даже при небольшой скорости вращения(такой, как, например, у Солнца), к концу коллапса скорость возрастает настолько, что, не успев стать черной дырой, такая звезда разлетится. Для того,чтобы превратиться в черную дыру, звезда должна уменьшить скорость вращения, и,очевидно, со многими именно так и происходит. Поэтому логично предположить, чтобольшинство массивных звезд превращаются в черные дыры Керра.

     Предсказаны еще два типа черных дыр.Возможно, в природе их нет, но теоретически они очень важны. Когда звездапревращается в черную дыру, почти все ее характеристики растворяются всингулярности. Мы никогда точно не узнаем ни ее температуру, ни состав: они утрачиваются припревращении звезды в черную дыру. Остаются только три характеристики: масса, момент вращения изаряд. Это и определяет существование четырех типов черных дыр. Кроме черныхдыр Шварцшильда и Керра существуют черные дыры Рейснера – Нордстрема(невращающиеся заряженные) и черные дыры Керра – Ньюмена (вращающиесязаряженные)<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[13]

.

     В 1971 году английский теоретик РоджерПенроуз доказал, что из черных дыр, обладающих спином и (или) зарядом, можноизвлекать энергию<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[14]

.Если в эргосферу запустить, к примеру, шарик, то он разорвется. При этом частьего попадет за горизонт событий, тогда как другая окажется во внешнемпространстве, причем энергия этой части будет больше, чем у всего шарика,первоначально попавшего в эргосферу. Таким образом, из черной дыры Керра этапотеря энергии выразится в замедлении вращения.

Черныедыры с электрическим зарядом

     Начиная с середины ХХ в. разработку теорииэлектромагнетизма, Джеймс Клерк Максвелл располагал большими количествамиинформации об электрическом и магнитном полях. В частности, удивительным былтот факт, что электрические и магнитные силы убывают с расстоянием в точноститак же, как и сила тяжести. И гравитационные, и электромагнитные силы – этосилы большого радиуса действия. Ихможно ощутить на очень большом удалении от их источников. Напротив, силы,связывающие воедино ядра атомов, — силы сильного и слабого взаимодействий –имеют короткий радиус действия. Ядерныесилы дают о себе знать лишь в очень малой области, окружающей ядерныечастицы.  

    Большой радиус электромагнитных сил означает, что физик, находясьдалеко от черной дыры, может предпринять эксперименты для выяснения, заряжена эта дыра или нет. Если у чернойдыры имеется электрический заряд (положительный или отрицательный) илимагнитный заряд (соответствующий серному или южному магнитному полюсу), тонаходящийся вдалеке физик способен при помощи чувствительных приборов обнаружитьсуществование этих зарядов. Таким образом, кроме информации о массе не теряетсятакже информация о заряде черной дыры.

    Во время первой мировой войны Г. Райснер и Г. Нордстрём открылирешение эйнштейновских уравнений гравитационного поля, полностью описывающее«заряженную» черную дыру. У такой черной дыры может быть электрический заряд(положительный и отрицательный) и/или магнитный заряд (соответствующийсеверному или южному магнитному полюсу). Если электрически заряженные тела –дело обычное, то магнитно заряженные – вовсе нет. Тела, у которых естьмагнитное поле (например, обычный магнит, стрелка компаса, Земля), обладаютобязательно и северным и южными полюсамисразу. До самого последнего времени большинство физиков считали, чтомагнитные полюсы всегда встречаются только парами. Однако в 1975 году группаученых из Беркли и Хьюстона объявила, что в ходе одного из экспериментов имиоткрыт магнитный монополь<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[15]

. Если эти результаты подтвердятся, тоокажется, что могут существовать и отдельные магнитные заряды, т. е. чтосеверный магнитный полюс может существовать отдельно от южного, и обратно.Решение Райснера-Нордстрёма допускает возможность существования у черной дырымагнитного поля монополя. Независимо от того, как черная дыра приобрела свой заряд,все свойства этого заряда в решении Райснера-Нордстрёма объединяются в однухарактеристику – число Q.При этом геометрия пространства-времени в решении Райснера-Нордстрема независит от природы заряда. Он может быть положительным, отрицательным, соответствоватьсеверному магнитному полюсу или южному – важно лишь его полное значение,которое можно записать как |Q|.Итак, свойства черной дыры Райснера-Нордстрёма зависят лишь от двух параметров– полной массы дыры М и ее полного заряда |Q| (иными словами, от его абсолютной величины).

    Чтобы проще подойти к пониманию особенностей решенияРайснера-Нордстрёма, рассмотрим обычную черную дыру без заряда. Как следует изрешения Шварцшильда, такая дыра состоит из сингулярности, окруженной горизонтомсобытий. Теперь представим себе, что мы придали этой черной дыре небольшойэлектрический заряд. Как только у дыры появился заряд, мы должны обратиться крешению Райснера-Нордстрёма для геометрии пространства-времени. В решенииРайснера-Нордстрёма имеются двагоризонта событий. Именно, с точки зрения удаленного наблюдателя, существуютдва положения на разных расстояниях от сингулярности, где время останавливаетсвой бег. При самом ничтожном заряде горизонт событий, находившийся ранее  на «высоте» 1 швардшильдовского радиуса,сдвигается немножко ниже к сингулярности. Но еще более удивительно то,  что сразу же вблизи сингулярности возникаетвторой горизонт событий. Таким образом, сингулярность в заряженной черной дыре окружена двумя горизонтами событий – внешним и внутренним<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[16]

.

     Еслимы будем увеличивать заряд черной дыры, то внешний горизонт событий станетсжиматься, а внутренний – расширяться. Наконец, когда заряд черной дырыдостигнет значения, при котором выполняет равенство М = |Q|, оба горизонта сливаются друг сдругом. Если увеличить заряд еще больше, то горизонт событий полностьюисчезнет, и остается «голая» сингулярность. При М < |Q| горизонты отсутствуют, так чтосингулярность открывается прямо во внешнюю Вселенную. Такая картина нарушаетзнаменитое «правило космической этики», предложенное Роджером Пенроузом.

     Всякий раз при  пересечении горизонта событий пространство ивремя меняются ролями. Это значит, что в заряженной черной дыре из-за наличиядвух горизонтов событий полная смена ролей у пространства и времени происходитдважды.

В ПОИСКАХ ЧЕРНЫХ ДЫР

     Объект, который по определению нельзявидеть, естественно, нелегко обнаружить. Как же астрономы собираются искатьчерные дыры?

     Конечно, черную дыру нельзя увидеть спомощью любого доступного астрономам телескопа, начиная от радиотелескопов икончая <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">g

-детекторами.Тем не менее, можно использовать косвенные методы, связанные с теми гравитационными эффектами, которыечерная дыра вызывает в окружающем веществе.

<img src="/cache/referats/18330/image007.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1031"> 

B <img src="/cache/referats/18330/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1035"> <img src="/cache/referats/18330/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1036"> <div v:shape="_x0000_s1034">

Рис. 3. В двойном рентгеновском источнике возникает рентгеновское излучение от диска аккреции вокруг компактной звезды В (черная точка). Диск образуется тем веществом, которое звезда В притяги­вает с поверхности своего спутника А. Стрелки указывают вращение двойной системы


Рис. 4. Пара звезд А и В, вращающихся вокруг их общего центра масс С. образует систему двойной звезды

<img src="/cache/referats/18330/image011.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1037">

    Идеальными в этом смысле являются двойныезвезды. На   рисунке  показана пара звезд А и В, вращающихся друготносительно друга. В такой ситуации наблюдатель видит периодическое изменениеположения А и В в   пространстве.Через определенный промежуток времени звезды А и В возвращаютсяв исходное положение. Такие пары звезд встречаются довольно часто и называются двойными звездами<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">[17]

.

     Предположимтеперь, что звезды А и В достаточно близки друг к другу в том смысле, чторазделяющее их расстояние не сильно превышает сумму их радиусов. Когда звездытак близки, каждая из них стремится оторвать часть вещества с поверхности своейсоседки.

     Такое взаимодействие носит название приливного взаимодействия<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[18]

.Таким образом, когда звезда В оказывает приливную силу на звезду А, ближайшее кВ вещество звезды А начинает перетекать в направлении к В, и наоборот.

     Представим теперь ситуацию, когда Аявляется звездой-гигантом, а    В –черной дырой. Если предположить, что А достаточно близко к В, то вещество будетперетекать от А к В, но не наоборот. Дело в том, что из черной дыры невозможноизвлечь вещество. Вещество, отнятое у А, не попадает сразу в В, а вращаетсявокруг нее, пока постепенно не поглотится. Так происходит потому, что звезды Аи В вращаются друг относительно друга, следовательно, любое вещество,покидающее А, стремится вращаться вокруг В, а не попадать сразу на нее.

     Такой непрерывный круговорот веществаобразует дискообразную структуру, которая может простираться вокруг черной дырыдо расстояний, равных нескольким шварцшильдовским радиусам. Так как падающее начерную дыру вещество представляет собой очень плотный и горячий газ,  то этот газ начинает излучать, в основном,рентгеновское излучение. Ряд астрофизиков в 60-е годы разработали представлениео таком диске аккреции, окружающемчерную дыру в двойной системе<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[19]

.Благодаря недавно возникшей рентгеновской астрономии появились надежды наобнаружение черных дыр указанным способом.

     При таком подходе возникает, однако,неопределенность. То, что было сказано до сих пор о черных дырах, относится и кнейтронным звездам. Если звезда В является нейтронной звездой, она так же будетобразовывать вокруг себя диск аккреции, испускающий рентгеновское излучение.

     Таким образом, если мы обнаружимрентгеновский источник, связанный с двойной системой, в которой одна звездавидима, то все что мы можем сказать, это то, что другая звезда является либонейтронной звездой, либо черной дырой. Но как узнать, с чем мы имеем дело?

     Именно здесь и следует вспомнить о пределена массу, равном 2М<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">o

,для стабильных нейтронных звезд. Если по наблюдениям движения видимыекомпоненты А мы можем определить массу ее компаньона В и если эта массаокажется меньше 2М<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">o,мы можем сделать вывод, что В является нейтронной звездой. Но если окажется,что масса В существенно больше 2М<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">o, есть основания полагать, что мы имеем дело с чернойдырой.

     Дополнительной проверкой может статьрегистрация флуктуаций рентгеновского излучения от двойного источника. Чембыстрее флуктуации,   тем меньше дискаккреции. Поскольку черные дыры более компактны, чем нейтронные звезды, ихдиски аккреции соответственно несколько меньше. Таким образом, от черной дырыследует ожидать возникновения очень быстрых вариаций рентгеновского излучения.

     Помимо двойных систем, черные дырыисследовались теоретиками с различных точек зрения. Так как черная

еще рефераты
Еще работы по астрономии