Реферат: 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 – объектывселенной, которые привлекают интерес многихучёных-астрономов. Чёрные дыры, космические объекты, сущест­во­вание которыхпредсказывает общая теория относительности. Обра­зуются при неограниченномгравитационном коллапсе массивных косми­ческих тел (в частности, звезд смассами 40-60 MQ). Коллапс гравитацион­ный-  ката­строфическибыстрое сжатие звезды под действием сил тяготения (гравитации).

/>Внешнее строение чернойдыры

Черная дыра обладаетвнешним гравитационным полем, свойства которого определяются массой, моментомвращения и, возможно, электри­ческим зарядом, если коллапсирующая звезда былаэлектрически заряжена. На больших расстояниях поле чёрной дыры практически неотличается от полей тяготения обычных звёзд, и движение других тел,взаимодействующих с чёрной дырой на большом расстоянии, подчиняется законаммеханики Ньютона. Гравитационное поле настолько сильно, что абсолютно не можетиспускать свет, поэтому они кажутся чёрными.

Катастрофическаягравитация сжатием (коллапсом) может заканчи­вать­ся, в частности, эволюциязвёзд, масса которых к моменту сжатия превышает критическую величину. Значениекритической массы точно не определено и в зависимости от принятого уравнениясостояния вещества меняется от 1,5MQ<sub/> до 3MQ­­­ (где MQ- масса Солнца).

Если после потериустойчивости в звезде не происходит освобождения энергии, достаточной дляостановки сжатия или для взрыва, при котором оставшаяся после взрыва массастала бы меньше критической, то централь­ные части звезды коллапсируют и закороткое время достигают гравитаци­он­ного радиусаrg.Никакие силы не могут воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды, если еёрадиус 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 результатегравитационного сжатия мас­сивных звёзд появляется областьпространства-времени, из которой не может выйти никакая информация о физическихпроцессах, происходящих внутри неё.

/>Временные туннели?

Известны трудности,связанные с межзвездными перелетами. В ряде теоретических работ показанавозможность существования тунне­лей, соединяющих любые отдаленные областиМетагалактики или раз­личные мини-вселенные в Большой Вселенной. Система издвух тунне­лей, обеспечивающая движение вещества и излучения в любом направ­лении,для внешнего наблюдателя будет весьма сходной сдвойной сис­темой, состоящей из черной и белой дыры.

Через аналог черной дырывозможен проход из одной части нашей Вселенной в другую ее часть или в другуювселенную. Через аналог белой дыры возможен доступ к нам. Идея применениятопологических туннелей использована в романе известного американскогоастрофизика К. Сагана «Контакт».

/>Эргосфера

Как показывают расчёты, увращающейся чёрной дыры вне её поверхности должна существовать область,ограниченная поверхностью статического предела, то есть эргосфера. Силапритяжения со стороны чёрной дыры, действующая на неподвижное тело, помещенноев эргосферу, обращается в бесконечность. Однако эта сила конечна. Любыечастицы, оказавшиеся в эргосфере, будут вращаться вокруг чёрной дыры. Наличиеэргосферы может привести к потере энергии вращающейся чёрной дыры. Этовозможно, в частности, в том случае, если некоторое тело, влетев в эргосферу,распадается (например, в результате взрыва) около поверхности чёрной дыры, надве части, причём одна из них продолжает падение на чёрную дыру, а втораявылетает из эргосферы. Параметры взрыва могут быть такими, что энергиявылетевшей из эргосферы части больше энергии былого тела. Дополнительнаяэнергия при этом черпается из энергии вращения чёрной дыры. С уменьшениеммомента её вращения поверхность статического предела сливается с поверхностьючёрной дыры и эргосфера исчезает. Быстрое вращение коллапсирующего телапрепятствует образованию чёрной дыры  вследствие действия сил вращения. Поэтомучёрная дыра не может иметь момент вращения больший некоторого экстремальногозначения.

/>Метаморфозы чёрных дыр

Как показывают квантовомеханические расчёты, в сильном гравитационном поле чёрных дыр могут рождатьсячастицы — фотоны, нейтрино, гравитоны, электрон-позитронные пары и др.; врезультате она излучает как чёрное тело с эффективнойтемпературой                даже тогда, когда никакое вещество на неё непадает. Энергия этого излучения черпается из энергии гравитационного полячёрной дыры, что со временем приводит к уменьшению её массы. Однако из-занизкой эффективности процессы квантового излучения несущественны для массивныхчёрных дыр, возникающих в результате коллапса звёзд. На ранних (горячих исверхплотных) этапах развития Вселенной в ней из-за неоднородного распределениявещества могли образоваться чёрные дыры с различной массой — от 10¾5г до массы Солнца и больше. В отличие от чёрных дыр — сколлапсировавшихзвёзд, эти чёрные дыры получили название первичных.

Процессы квантовогоизлучения уменьшают массу чёрной дыры, и к настоящему времени все первичныечёрные дыры с массой меньше 1015г должны были«испариться». Интенсивность и эффективная температура излучениячёрной дыры увеличиваются с уменьшением её массы, поэтому на последней стадии(для массы порядка 3.109г) «испарение»чёрной дыры представляет собой взрыв с выделением 1030эрг за0,1 сек. Первичные чёрные дыры, массой большей, чем 1015гостались практически неизменными. Обнаружение первичных чёрных дыр по ихизлучению позволило бы сделать важные выводы о физических процессах,протекавших на ранних стадиях эволюции Вселенной.

Поиски чёрных дыр воВселенной представляют собой одну из актуальных задач современной астрономии.Предполагается, что чёрные дыры могут быть невидимыми компонентами некоторыхдвойных звёздных систем. Однако этот вывод не достоверен, т.к. одна из звёзддвойной системы, будучи нормальной звездой, может оказаться невидимой на фонеболее сильного свечения второй компоненты. Другой нахождения чёрной дыры вдвойных системах основывается на изучении свечения вещества, которое перетекаетк ней с соседней (обычной) звезды. Вблизи чёрной дыры из перетекающего веществаобразуется диск, его слои движутся вокруг чёрной дыры с различными скоростями.

/> <td/> />
Из-за трения между соседнимислоями вещество в диске нагревается до десятков миллионов градусов, ивнутренние области диска излучают энергию в рентгеновском диапазонеэлектромагнитного спектра  (Излучение черных дыр неможет покинуть черные дыры — оно “заперто” гравитацией). Аналогичноеизлучение будет рождаться и в том случае, если на месте чёрной дыры в двойнойсистеме будет находиться нейтронная звезда, но последняя не может иметь массубольше некоторого предельного значения. В результате космических исследованийоткрыто большое число источников рентгеновского излучения в двойных звёздныхсистемах. Черные дыры можно обнаружить лишь покосвенным данным. />Найдена ли уже чёрнаядыра?

Ученые твердоверят в то, что черные дыры действительно существуют. Общая теорияотносительности Альберта Эйнштейна предсказывала возможность существованияподобных объектов еще в 1917 году, а за последние десятилетия астрономыобнаружили множество свидетельств их присутствия во многих областяхкосмического пространства.

Известноболее 5 объектов, в состав которых, вероятно, входят черные дыры. Тем не менее, есть только косвенныеподтверждения, но нет неопровержимых доказательств. Наиболее вероятнымкандидатом в чёрные дыры является рентгеновский источник Лебедь Х-1, обнаруженныйв начале 1970-х годов в Х-бирнарных системах. Масса источника в этой системе,которую можно оценить из наблюдаемой скорости движения оптической звезды поорбите и законов Кеплера, превышает предельное значение массы для нейтроннойзвезды.

/>

         Рентгеновское изображение галактик “Антенны”, полученное “Чандрой”.
         © NASA/SAO/CXC/G. Fabbiano et al.

Рентгеновскаяобсерватория “Чандра” обнаружила в нескольких галактиках с высоким темпомзвездообразования места расположения возможных черных дыр со средней массой.

/>Может XTE J1118+480 иесть та самая чёрная дыра?

Данные из Цифровогообзора неба DSS, созданного Институтом Космического телескопа, сыграли важнуюроль в открытии древней черной дыры, движущейся через галактические окрестностиСолнца. Эта черная дыра в паре с небольшой звездой-компаньоном, чье веществоона поглощает, движется по вытянутой орбите, пересекая дальние области МлечногоПути. Ученые предполагают, что черная дыра является остатком массивной звезды,завершившей свое существование миллиарды лет назад и благодаря гравитационнымэффектам выброшенная из родного звездного скопления.

Исследовавшийся объектносит обозначение XTE J1118+480, он был обнаружен при наблюдениях нарентгеновском спутнике “Росси-ХТЕ” 29 марта 2000 года. Позднее оптические ирадионаблюдения позволили определить, что расстояние до него составляет 6000световых лет.

Как известно, большинствозвезд Млечного Пути находятся в тонком галактическом диске. Однако некотораячасть звезд содержится в шаровых скоплениях, состоящих из сотен тысяч старыхзвезд и движущихся по орбитам, выходящим за пределы галактической плоскости.Орбита XTE J1118+480 похожа на орбиты шаровых скоплений, а скорость, с которойпроисходит движение, составляет 145 км/с относительно Солнца.

Звезда, ставшая родителемчерной дыры в XTE J1118+480, возможно, сформировалась в шаровом скоплении ещедо того, как появился диск Галактики. На большой возраст черной дыры указываети то, что звезда-компаньон, вещество которой дыра поглощает, потеряла почти всюсвою массу, которая теперь составляет не более трети массы Солнца. Ученыеполагают, что захват звезды-компаньона произошел еще до выброса черной дыры изскопления.

Относительная близость кСолнцу позволила астрономам при помощи сети радиотелескопов VLBA определитьпараметры движения черной дыры. Наблюдения на VLBA проводились в мае и июле2001 года, при этом в полную силу использовалась высочайшая разрешающаяспособность сети для обнаружения смещения объекта относительно более удаленныхнебесных тел.

 Хотя несколько“среднемассивных” черных дыр было обнаружено ранее, теперь появиласьвозможность наблюдать большое количество подобных объектов и выяснить их связьс формированием звезд и образованием гораздо более массивных черных дыр. Наконференции Американского астрономического общества три независимых группысообщили о десятках рентгеновских источников, обнаруженных в галактиках свысоким темпом звездообразования. Эти источники имеют точечный вид и в десяткитысяч 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, движущихсясо скоростью, превышающей скорость света. Учёный предполагал, что существуеттело, скорость которого настолько высока (около 300 000 км/с), что свет неможет излучаться с его поверхности.

/>Работы Хоукинга

 Стивен Хоукинг, несмотря на своютрудную жизнь, омрачённую лишением дара речь и полную неподвижность, написалмного трудов, в том числе связанных с попытками объяснить  физические основытеории Большого взрыва, распознаванием чёрных дыр и значительной деформациейпространства и времени внутри них.

Один из самых интересныхфактов, выдвинутых Хоукингом, был о том, что чёрные дыры не полностью«чёрные», а могут выбрасывать излучение благодаря квантовым эффектамдо собственного исчезновения или взрыва.

/>Заключение

Много интересного можно узнать о чёрных дырах, занимаясь ихизучением 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 сможемкогда-нибудь узнать, опровергнуть или доказать сегодняшние предположения игипотезы, которые люди высказывали сотни лет назад.

Правильно сказал Дж. Друно: «Умственнаясила никогда не успокоится, никогда не остановится на познанной истине, но всевремя 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, АнгусХолл «Когда? т Где? Как? и почему это произошло?»1993;

3.    Рандзини Дж. Справочник«Космос». – М., « Росмен»2000.