Реферат: Черные дыры

Изложеныновейшие данные по определению масс черных дыр в рентгеновских двойных звездныхсистемах. К настоящему времени известно 10 рентгеновских двойных систем,содержащих массивные (с массой более трехсолнечных) рентгеновские источники — кандидаты в черные дыры. Замечательно, что ни у одного из них не наблюдаетсяфеноменов рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера I типа.

Какизвестно, черной дырой называется область пространства-времени, в которойгравитационное поле настолько сильно, что даже свет не может покинуть этуобласть. Это происходит, если размеры тела меньше его гравитационного радиуса гдеG — постоянная тяготения, c — скорость света, М — масса тела. Гравитационныйрадиус Солнца 3 км, Земли — около 9 мм.

Общаятеория относительности А. Эйнштейна предсказывает удивительные свойства черныхдыр, из которых важнейшее — наличие у черной дыры горизонта событий. Дляневращающейся  черной дыры радиус горизонта событий совпадает с гравитационнымрадиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдателя ход времениостанавливается. Космический корабль, посланный к черной дыре, с точки зрениядалекого наблюдателя, никогда не пересечет горизонт событий, а будет непрерывнозамедляться по мере приближения к нему. Все, что происходит под горизонтомсобытий, внутри черной дыры, внешний наблюдатель не видит. Космонавт в своемкорабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий, но передатькакую-либо информацию внешнему наблюдателю он не сможет. При этом космонавт,свободно падающий под горизонтом событий, вероятно, увидит другую Вселенную, идаже свое будущее. Связано это с тем, что внутри черной дыры пространственная ивременная координаты меняются местами и путешествие в пространстве здесьзаменяется путешествием во времени.

Еще болеенеобычны свойства вращающихся черных дыр. У них горизонт событий имеет меньшийрадиус, и погружен он внутрь эргосферы — области пространства-времени, вкоторой тела должны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационнымполем вращающейся черной дыры.

Стольнеобычные свойства черных дыр многим кажутся просто фантастическими, поэтомусуществование черных дыр в природе часто ставится под сомнение. Однако, забегаявперед, отметим, что, согласно новейшим наблюдательным данным, черные дырыдействительно существуют и им присущи удивительные свойства.

КАКОБРАЗУЮТСЯ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Известно,что если масса ядра звезды, претерпевшего изменения химического состава из-затермоядерных реакций и состоящего в основном из элементов группы железа,превышает 1,4 солнечной массы M, но не превосходит трех солнечных масс, то вконце ядерной эволюции звезды происходит коллапс (быстрое сжатие) ядра, врезультате которого внешняя оболочка звезды, не затронутая термоядернымипревращениями, сбрасывается, что приводит к явлению вспышки сверхновой звезды.Это приводит к формированию нейтронной звезды, в которой силам гравитационногопритяжения противодействует градиент давления вырожденного нейтронноговещества. Огромные силы давления вырожденного нейтронного вещества обусловленытем, что нейтроны обладают полуцелым спином и подчиняются принципу Паули,согласно которому в данном энергетическом состоянии может находиться толькоодин нейтрон.

Присжатии ядра звезды на поздней стадии эволюции температура поднимается догигантских значений — порядка миллиарда кельвинов, поэтому ядра атомовразваливаются на протоны и нейтроны. Протоны поглощают электроны, превращаютсяв нейтроны и испускают нейтрино. Нейтроны же, согласно квантовомеханическомупринципу Паули, запрещающему им находиться в одинаковых состояниях, начинаютпри сильном сжатии эффективно отталкиваться друг от друга. В случае массыколлапсирующего ядра звезды меньше 3M скорости нейтронов значительно меньшескорости света и упругость вещества, обусловленная в основном эффективнымотталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести кобразованию устойчивых нейтронных звезд. В случае массивных ядер звезд (m >3M) скорости нейтронов велики, силы отталкивания между ними не могутуравновесить силы гравитации. В этом случае образующаяся нейтронная звезда,остывая коллапсирует, согласно существующим представлениям, в черную дыру.Поскольку при образовании нейтронной звезды радиус звезды уменьшается от 106 до10 км, из условия сохранения магнитного потока следует, что магнитное поленейтронной звезды радиусом 10 км может достигать очень большой величины — порядка 1012 Гс. Радиус нейтронной звезды порядка 10 км, плотность веществадостигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре.

Хорошоизвестные радиопульсары и рентгеновские пульсары как раз и представляют собойнейтронные звезды, причем число известных радиопульсаров достигает 700.Радиопульсары наблюдаются как источники строго периодических импульсов радиоизлучения,что связано с переработкой энергии быстрого вращения звезды в направленноерадиоизлучение через посредство сильного магнитного поля. Рентгеновскиепульсары светят за счет аккреции вещества в тесных двойных звездных системах:сильное магнитное поле нейтронной звезды направляет плазму на магнитные полюсы,где она сталкивается с поверхностью нейтронной звезды и разогревается в ударнойволне до температур в десятки и сотни миллионов градусов. Это приводит кизлучению рентгеновских квантов. Поскольку ось магнитного диполя не совпадает сосью вращения нейтронной звезды, рентгеновские пятна (их называют аккреционнымиколонками) при вращении нейтронной звезды то видны для земного наблюдателя, тоэкранируются телом нейтронной звезды, что приводит к эффекту маяка и феноменурентгеновского пульсара — строго периодической переменности рентгеновскогоизлучения на временах от долей секунды до тысяч секунд. Периодические пульсациирадио- или рентгеновского излучения говорят о том, что у нейтронной звезды естьсильное магнитное поле (~ 1012 Гс), твердая поверхность и быстрое вращение(периоды радиопульсаров достигают миллисекунд времени). У черной дыры строгопериодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку, согласнопредсказанию общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, описывающей сильныегравитационные поля, черная дыра не имеет ни твердой поверхности, ни сильногомагнитного поля.

Длязвезд, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают три солнечных,ОТО предсказывает неограниченное сжатие ядра (релятивистский коллапс) собразованием черной дыры. Это объясняется тем, что силы гравитации, стремящиесясжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностяхвещества, достигаемых при сжатии ядра звезды (порядка миллиарда тонн вкубическом сантиметре), главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергияпокоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что давлениевещества при больших плотностях как бы само «весит»: чем большедавление, тем больше плотность энергии и, следовательно, силы гравитации,стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях,согласно ОТО, становятся принципиально важными эффекты искривленияпространства-времени, что также способствует неограниченному сжатию ядразвезды.

Черныедыры с очень большими массами (до миллиардов солнечных масс), по-видимому,существуют в ядрах галактик, и в последние годы в наблюдательном исследованиисверхмассивных черных дыр наметился существенный прогресс в связи сиспользованием космического телескопа им. Хаббла и применения методоврадиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Кроме того, теория предсказываетвозможность существования первичных черных дыр, образовавшихся в моментобразования Вселенной. Мы ограничимся рассмотрением лишь черных дыр звездноймассы, образовавшихся на конечных этапах эволюции массивных (с массами вдесятки солнечных) звезд.

МЕТОДЫОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС ЧЕРНЫХ ДЫР

Известно,что массу звезды можно измерить, если она входит в двойную систему. Наблюдаядвижение звезд — компонент двойной системы и применяя законы Кеплера,вытекающие из закона тяготения Ньютона, можно измерить массы звезд. При этом,поскольку размеры орбиты двойной системы в миллионы раз больше гравитационныхрадиусов компонент, для определения масс звезд, в том числе и масс нейтронныхзвезд и черных дыр в двойных системах, вполне достаточно использования законатяготения Ньютона. Мы не рассматриваем здесь случай двойных радиопульсаров, гдегромадная точность определения моментов прихода радиоимпульсов позволяетнаблюдать релятивистские эффекты (обусловленные ОТО) в движении пульсара, и поним определять с высокой точностью массы пульсаров, и даже наблюдать вековоеукорочение орбитального периода двойной системы, обусловленное излучениемпотока гравитационных волн.

Оптическаязвезда в двойной системе является не только пробным телом в гравитационном полечерной дыры, позволяющим измерить ее массу, но также своеобразным донором,поставляющим вещество на соседний релятивистский объект (нейтронную звезду иличерную дыру). Аккреция этого вещества на релятивистский объект приводит кразогреву плазмы до температур в десятки и сотни миллионов градусов и кпоявлению мощного рентгеновского источника. Теоретическое предсказание мощногоэнерговыделения при несферической аккреции вещества на черную дыру было сделанов 1964 году Я.Б. Зельдовичем и Е.Е. Салпитером. Теория дисковой аккрециивещества на релятивистский объект в тесной двойной звездной системе развита вначале 70-х годов в работах Н.И. Шакуры и Р.А. Сюняева, Дж. Прингла и М. Риса,И.Д. Новикова и К.С. Торна.

НОВЕЙШИЕДАННЫЕ

/>Обнаружена одна из ближайших к Солнечной системе черных дыр,которая образовалась в результате старения и последующей гибели звезды классаголубой гигант. И впервые довольно точно удалось вычислить ее орбиту обращениявокруг нашей Галактики – Млечный Путь.

Чернаядыра была обнаружена благодаря тому, что “пожирала” вещество соседки – болеемалой звезды.

Открытиебыло сделано в результате наблюдений радиотелескопов Национального Научногообщества (VLBA), объединенных в систему радиоинтерферометрии со сверхдлиннойбазой вместе со спутниками приема рентгеновского излучения Rossi.

Доказательствомподтверждения открытия послужили оптические снимки, сделанные на ПаломарскойОбсерватории (POSS). Это впервые, когда орбитальное движение черной дыры былоизмерено.

Результатыисследований были сообщены 13 сентября 2001 года в выпуске журнала “Природа”.

Объектназывается XTE J1118+480 и был обнаружен спутником Rossi X- 29 марта 2000 года.Более поздние наблюдения в оптическом и радиодиапазоне показали, что чернаядыра отстоит на 6,000 световых лет от Земли и представляет собой бинарнуюсистему, в которой она засасывает звездный газ из соседней звезды, формируягорячий вращающийся диск, напоминающий воронку водоворота в море. Этот процесссопровождается выбросом субатомных частиц, которые испускают радиоволны.

Большинствозвезд в нашей Галактике — Млечный Путь, находятся в пределах галактическойплоскости. Однако, также имеются шаровые звездные скопления, которые содержатсотни тысяч самых старых звезд в Галактике, и которые находятся вне плоскостиГалактики. XTE J1118+480 подобно таким шаровым скоплениям, перемещающимся соскоростью 145 километров в секунду относительно Земли, совершает замысловатыепетли вокруг Галактики. Эта черная дыра образовалась в результате смертимассивной звезды, которая по классу была на уровне голубого гиганта. Такиезвезды, когда полностью выработают свой ресурс, либо взрываются как новыезвезды, оставляя после себя ядро оболочки в виде нейтронной звезды, либозаканчивают путь “гравитационным хлопком” сжатия, образуя черную дыру.

Этачерная дыра имеет массу, больше солнечной в 7 раз. Чтобы разогнаться досуществующей скорости, ей потребовался толчок ускорения, который могла датьтолько гравитационная сила общей массы шарового звездного скопления, изкоторого она когда-то и была выброшена.

/>Расположенная неподалеку от Млечного Пути галактика Centeurus Aимеет в своем центре массивную черную дыру. Это удалось установитьмеждународной команде астрономов из Южной Европейской Обсерватории, проводившихнаблюдения с помощью телескопа VLT (Very Large Telescope) в Чили. Измеренияпозволили определить массу черной дыры — около 200 миллионов масс Солнца.Галактика Centaurus A, известная также как NGC 5128, удалена от Земли на 11миллионов световых лет. Это один из самых изученных объектов Вселенной. Какгалактика она была каталогизирована в 1847 году британским астроном ДжономГершелем (John Herschel) и уже полтора века изучается с использованием всегонабора астрономических инструментов. О том, что в центре галактики находитсячерная дыра, подозревали давно, но никто не думал, что она настолько массивна.

/>Дж.Моран (J.Moran; Астрофизический центр вКембридже, штат Массачусетс, США) утверждает, что ему удалось обнаружитьсверхмассивную черную дыру в центре весьма удаленной от нас спиральнойгалактики NGC 4258, по результатам изучения мощного мазерного излучения,создаваемом молекулами воды газовых облаков, которые подвергаются воздействиюинтенсивной радиации.

Сопоставляяскорость движения космических облаков с их расположением, Моран установил, чтоони обращаются вокруг некоего центрального объекта, подобно планетам вокругСолнца. По значениям скоростей удалось вычислить массу притягивающего центра:она оказалась близкой к 36 млн М*! Причем вся эта гигантская массасосредоточена в области, поперечник которой менее 1 светового года. Такимихарактеристиками может обладать только черная дыра.

Источникимазерного излучения находятся на окружающей галактику NGC 4258 внешнейпериферии диска (или сферы — на этот счет среди астрофизиков нет единогомнения). Однако на столь значительных расстояниях, как в данном случае,наиболее вероятна, по общему мнению, форма диска. Мазеры располагаются там поS-образной кривой; такой изгиб, считает Моран, вызван давлением рентгеновскогоизлучения от скопления сверхраскаленного газа, находящегося в центре даннойсистемы.

Изучениедвижения мощных мазеров поможет, по мнению Моргана, поиску свермассивных черныхдыр. Ближайшим кандидатом он считает галактику NGC 1068, в которой, судя понаблюдаемым скоростям мазеров, может находиться черная дыра с массой,превышающей солнечную в 10 млн раз.

Что внутри у черной дыры

/>

Чернойдырой называется область пространства-времени, ограниченная горизонтом, то естьповерхностью, которую даже свет не может покинуть вследствие действиягравитационных сил. Точка зрения теории относительности (ОТО) на черные дыры (иих внутреннюю структуру) состоит в следующем. Мы (по определению) не можемполучить никакой информации из черной дыры, поэтому она для нас именно ЧЕРНАЯ,то есть в рамках этого подхода вопрос о внутренней структуре черной дыры неявляется полностью корректным, т.к. мы не можем произвести соответствующиеизмерения, а можем лишь предполагать что-то, не получая непосредственнойинформацию оттуда.

Черная дыра (как идея) первоначально появилась в 18 веке благодаря работам Митчеллаи Лапласа как предсказание в ньютоновской теории. Затем уже — какматематическое решение ОТО. Для наиболее простой оценки радиуса горизонтачерной дыры (как у Митчелла и Лапласа) достаточно лишь положить вторуюкосмическую скорость равной скорости света. Для случае вращающихся и заряженныхчерных дыр решения получаются уже только в рамках ОТО.

Существуют или нет черные дыры во Вселенной, или, все-таки, это лишь наша играума и математики — вопрос пока остается открытым. Сейчас есть более 10кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах и несколько десятковкандидатов в сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик (в том числе и нашей).Однако, это лишь кандидаты, хотя и очень хорошие, и Нобелевская премия заоткрытие черных дыр пока никому не вручена. Но, оставив вопрос о физическомобосновании, никто не запрещает продлить решение внутрь черной дыры.Оказывается, что решение гладко продолжается под горизонт и заканчивается вточке, в которой одна из важнейших характеристик пространства — кривизна — становится равной бесконечности (как говорят «расходится»). Такоеповедение и называется сингулярностью, то есть областью, в которой не работаетне только физика, но и математика.

  В какой-то мере исследование сингулярностейможно считать физичным и в рамках ОТО, особенно в свете недавних результатов оконечной стадии гравитационного коллапса. Дело в том, что несколько десятилетийназад была сформулирована «гипотеза космической цензуры», котораяутверждает, что в обыкновенной Вселенной сингулярность может существовать, лишьзакрытая от нас горизонтом, то есть в виде черной дыры. Так вот, недавно в ходечисленного анализа разных сценариев гравитационного коллапса было установлено,что при определенных начальных условиях (вполне физических, надо отметить)процесс гравитационного коллапса может закончится возникновением«голой» сингулярности. В рамках ОТО аналитического ответа на этотвопрос пока нет.

У ОТО есть один очень большой недостаток — она не поддается процедуреквантования, в отличии от теорий остальных физических взаимодействий(электромагнитного, слабого и сильного). Поэтому создаются так называемыетеории суперобъединения, в которые входит не сама ОТО, а какой-либо (еще доконца не ясно, какой) вариант эффективной теории гравитации, включающий ОТО. Сточки зрения идей квантовой механики, лежащей в основе объединениявзаимодействий, вопрос о внутренней структуре вполне правомерен, потому что всепространство должно описываться одной характеристикой — волновой функцией. Врамках этого нового подхода были открыты (в математическом плане, конечно)новые типы сингулярностей, которых нет в ОТО. Можно выделить характеристикисингулярности, например, по скорости, с которой кривизна расходится. В какой-томере и горизонт событий черной дыры можно считать сингулярностью, но неистинной, потому что кривизна в этом случае конечна (расходится лишь одинкоэффициент), более того, эту сингулярность можно убрать после соответствующегопреобразования координат.

Черныедыры сливаются

/>
   Ученые открыли, что в одной галактике вполнемогут сосуществовать две сверхмассивные черные дыры, которые в конечном итогеобязательно сольются в одну. Это событие будет сопровождаться такими выбросамиэнергии, что звезды будут вытеснены из центра галактики, где будет бушеватьрадиоактивное и гравитационное цунами.
   Ученые давно знали, что в галактике NGC 6240существует два ярких пятна, что зовутся ядрами. Поскольку центр галактикизакрыт от обзора пылью, ученые направили в ту сторону телескоп Чандра, внадежде определить, является ли любое из этих ядер активной сверхмассивнойчерной дырой. Каково же было их удивление, когда они поняли, что оба объектаявляются активными черными дырами.
 

/>

/>

Странствующая пара: черная дыра и ее звезда
(слева — путь через Млечный путь).

 Этагалактика находится от нас на расстоянии около 400 световых лет — довольноблизко по космическим масштабам и образовалась она в результате столкновениядвух галактик, которое началось 30 миллионов лет назад. Астрономы считают, чтослияние галактик на самом деле происходит очень мирно. Поскольку звездырасположены очень редко, они почти не «ощущают» происходящего. Сейчаспока центры сталкивающихся галактик только слегка гравитационно взаимодействуют.Но постепенно расстояние, равное сейчас 3 тысячам световых лет, будетуменьшаться. И тогда они неизбежно начнут взаимодействовать. Звезды, чтовращаются вокруг центров, ускорят свое движение и вылетят из центра галактики.Когда черные дыры приблизятся на расстояние около одного светового года, они начнутсливаться. Тогда газ, вращающийся вокруг черных дыр разогреется до такихтемператур, что начнет излучать радиоактивные волны. В конце концов полерадиоактивности уничтожит все объекты, находящиеся вокруг ядер, что даствозможность обозревать ядро. Ни одна звезда не уцелеет в поле влияния болеемассивной черной дыры после того, как они сольются.
   Ученые также построили компьютерную версию того,что происходит сейчас в галактике NGC 362. До этого астрономы никогда не виделидвойных черных дыр. Это наводило их на мысли, что такого явления, как двойнаячерная дыра не бывает, что черные дыры сливаются в одну. Недавно они получилидоказательство этого: джеты, испускаемые черными дырами в объекте, известномпод номером NGC 362, сместились. Это говорит о том, что черные дыры всталкивающихся галактиках «почувствовали» существование друг друга.

 

Списокиспользованной литературы:

1.Новиков И.Д. Черные дыры и Вселенная. М.: Мол. гвардия, 1985.

2.Липунов В.М. В мире двойных звезд. М.: Квант, 1986.

3.Черепащук А.М. Массивные тесные двойные системы. Земля и Вселенная. 1985. № 1.

 С.16-24.

4. ЛютыйВ.М., Черепащук А.М. Оптические исследования рентгеновских двойных систем //Там же. 1986. № 5. С. 18-25.

5.Черепащук А.М. Черные дыры: новые данные // Там же. 1992. № 3. С. 23-30.

6.Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. М.: Бюро «Квантум», 1995. 106с.

еще рефераты
Еще работы по астрономии