Тести та шпаргалки

Чорні діри


Чорні діриЗміст

Вступ 2

Зовнішня структура чорної діри 2

Часові тунелі? 3

Ергосфера 3

Метаморфози чорних дір 4

Чорну діру вже знайшли? 6

Можливо XTE J1118 + 480 — це та ж чорна діра? 7

Гіпотеза Лапласа 9

Робота Хокінга 9

Висновок 10

Література: 11

Чорні діри — це об’єкти Всесвіту, які привертають інтерес багато астрономів. Чорні діри — це космічні об’єкти, існування яких передбачено загальною теорією відносності. Вони утворюються під час необмеженого гравітаційного колапсу масивних космічних тіл (зокрема, зірок з масою 40-60 М). Колапс гравітаційнийкатастрофічно швидке стиснення зірки під впливом гравітаційних сил (гравітації).

Чорна діра має зовнішнє гравітаційне поле, властивості якого визначаються масою, кутовим моментом і, можливо, електричним зарядом, якби зірка, що руйнується, була електрично заряджена. На великих відстанях поле чорної діри практично не відрізняється від гравітаційних полів звичайних зірок, а рух інших тіл, що взаємодіють з чорною дірою на великій відстані, підкоряється законам механіки Ньютона. Гравітаційне поле настільки сильне, що абсолютно не може випромінювати світло, тому вони здаються чорними.

Катастрофічна гравітація шляхом стиснення (коллапсу) може припинити, зокрема, еволюцію зірок, маса яких до моменту стиснення перевищує критичне значення. Величина критичної маси точно не визначена і, залежно від прийнятого рівняння стану речовини, коливається від 1,5М до 3М (де М маса сонця).

Якщо після втрати стійкості в зірці не виділяється енергії, достатньої для припинення стиснення або для вибуху, при якому маса, що залишилася після вибуху, стала б менш критичною, то центральні частини зірки колапсують і в за короткий час досягають гравітаційного радіусу рg. Ніякі сили не можуть запобігти подальшому стисканню зірки, якщо її радіус зменшиться до рg (до радіуса сфери Шварцшильда). Основна властивість сфери Шварцшильда полягає в тому, що ніякі сигнали, що випромінюються з поверхні зірки, яка досягла цієї сфери, не можуть вийти на вулицю. Таким чином, в результаті гравітаційного стиснення масивних зірок виникає область простору-часу, з якої не може вийти ніякої інформації про фізичні процеси, що відбуваються всередині неї.

Труднощі, пов’язані з міжзоряними подорожами, відомі. Ряд теоретичних робіт показав можливість існування тунелів, що з’єднують будь-які віддалені регіони Метагалактики або різні міні-всесвіти у Великому Всесвіті. Система з двох тунелів, яка забезпечує переміщення речовини і випромінювання в будь-якому напрямку, для зовнішнього спостерігача буде дуже подібна до бінарної системи, що складається з чорної та білої діри.

Через аналог чорної діри можна переходити з однієї частини нашого Всесвіту в іншу його частину або в інший Всесвіт. Через аналог білої діри доступ до нас можливий. Ідею використання топологічних тунелів використав у романі «Контакт» відомий американський астрофізик К. Саган.

Розрахунки показують, що обертається чорна діра за межами своєї поверхні повинна мати область, обмежену поверхнею статичної межі, тобто ергосферою. Сила тяжіння з боку чорної діри, що діє на нерухоме тіло, розміщене в ергосфері, обертається до нескінченності. Однак ця потужність обмежена. Будь-які частинки, які опинилися в ергосфері, будуть обертатися навколо чорної діри. Наявність ергосфери може призвести до втрати енергії від обертової чорної діри. Це можливо, зокрема, якщо певне тіло, влетівши в ергосферу, розпадеться (наприклад, в результаті вибуху) біля поверхні чорної діри на дві частини, і одна з них продовжує падати. в чорну діру, а другий вилітає з ергосфери. Параметри вибуху можуть бути такими, що енергія частини, що вилетіла з ергосфери, буде більшою за енергію колишнього тіла. Додаткова енергія черпається з енергії обертання чорної діри. Зі зменшенням моменту її обертання поверхня статичної межі зливається з поверхнею чорної діри, а ергосфера зникає. Швидке обертання тіла, що руйнується, запобігає утворенню чорної діри внаслідок дії обертальних сил. Тому чорна діра не може мати кутовий момент, більший за якесь екстремальне значення.

Як показують квантово-механічні розрахунки, в сильному гравітаційному полі чорних дір можуть народжуватися частинки — фотони, нейтрино, гравітони, електрон-позитронні пари тощо; в результаті він випромінює як чорне тіло з ефективною температурою, навіть коли на нього не падає жодна речовина. Енергія цього випромінювання витягується з енергії гравітаційного поля чорної діри, що в кінцевому підсумку призводить до зменшення її маси. Однак через низьку ефективність квантові радіаційні процеси незначні для масивних чорних дір, що виникають у результаті колапсу зірок. На ранніх (гарячих і надщільних) етапах розвитку Всесвіту через неоднорідний розподіл речовини чорні діри різної маси — від 10¾5 Г до маси Сонця та інше. На відміну від чорних дір — зірок, що колапсують, ці чорні діри називають первинними.

Процеси квантового випромінювання зменшують масу чорної діри, і на даний момент всі первинні чорні діри з масою менше 10п’ятнадцять Г мав «випаритися». Інтенсивність та ефективна температура випромінювання чорної діри зростають зі зменшенням її маси, тому на останньому етапі (для маси близько 3.десять9 Г) «випаровування» чорної діри — це вибух із виділенням 10тридцять ерг за 0,1 сек. Первинні чорні діри з масою більше 10п’ятнадцять Г залишився практично незмінним. Виявлення первинних чорних дір від їх випромінювання дозволило б зробити важливі висновки про фізичні процеси, що відбувалися на ранніх етапах еволюції Всесвіту.

Пошук чорних дір у Всесвіті є однією з актуальних проблем сучасної астрономії. Передбачається, що чорні діри можуть бути невидимими компонентами деяких подвійних зоряних систем. Однак цей висновок не є достовірним, оскільки одна із зірок подвійної системи, будучи звичайною зіркою, може виявитися невидимою на тлі більш сильного світіння другої складової. Інша знахідка чорної діри в подвійних системах заснована на вивченні світіння матерії, яка надходить до неї від сусідньої (звичайної) зірки. Біля чорної діри з речовини, що тече, утворюється диск, шари якого рухаються навколо чорної діри з різною швидкістю.

Через тертя між сусідніми шарами речовина в диску нагрівається до десятків мільйонів градусів, а внутрішні ділянки диска випромінюють енергію в рентгенівському діапазоні електромагнітного спектру. (Випромінювання від чорних дір не може залишити чорні діри – воно «замкнене» гравітацією). Подібне випромінювання також утвориться, якщо нейтронна зірка займе місце чорної діри в подвійній системі, але остання не може мати масу, більшу за певне граничне значення. У результаті космічних досліджень у подвійних зоряних системах було відкрито велику кількість джерел рентгенівського випромінювання. Чорні діри можна виявити лише за непрямими даними.

Вчені твердо переконані, що чорні діри існують. Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна передбачила існування таких об’єктів ще в 1917 році, а за останні десятиліття астрономи виявили безліч доказів їх присутності в багатьох областях космічного простору.

Відомо більше 5 об’єктів, які, ймовірно, містять чорні діри. Однак є лише непрямі докази, але не переконливі докази. Найімовірнішим кандидатом у чорну діру є джерело рентгенівського випромінювання Cygnus X-1, відкрите на початку 1970-х років у системах X-birnar. Маса джерела в цій системі, яку можна оцінити з спостережуваної орбітальної швидкості оптичної зірки та законів Кеплера, перевищує межу маси для нейтронної зірки.

Антене рентгенівське зображення галактик, зроблене Чандрою.
© NASA/SAO/CXC/G. Фаббіано та ін.

Рентгенівська обсерваторія Chandra виявила місця можливих чорних дір середньої маси в кількох галактиках з високою швидкістю утворення зірок.

Дані дослідження цифрового неба Інституту космічного телескопа зіграли важливу роль у відкритті стародавньої чорної діри, що рухається через галактичну околицю Сонця. Ця чорна діра в парі з маленькою зіркою-компаньйоном, матерію якої вона поглинає, рухається по витягнутій орбіті, перетинаючи далекі області Чумацького Шляху. Вчені припускають, що чорна діра є залишком масивної зірки, яка припинила своє існування мільярди років тому і була викинута зі свого рідного зоряного скупчення через гравітаційні ефекти.

Досліджуваний об’єкт позначений XTE J1118+480; його виявили під час спостережень на рентгенівському супутнику Rossi-XTE 29 березня 2000 р. Пізніші оптичні та радіоспостереження дозволили визначити, що відстань до нього становить 6000 світлових років.

Як відомо, більшість зірок Чумацького Шляху знаходиться в тонкому галактичному диску. Однак деякі зірки містяться в кульових скупченнях, що складаються з сотень тисяч старих зірок і рухаються по орбітах, що виходять за межі галактичної площини. Орбіта XTE J1118+480 схожа на орбіти кульових скупчень, а швидкість, з якою відбувається рух, становить 145 км/с відносно Сонця.

Зірка, яка стала батьківщиною чорної діри в XTE J1118+480, можливо, утворилася в кульовому скупченні ще до появи диска Галактики. Про великий вік чорної діри свідчить і той факт, що зірка-компаньйон, матеріал якої діра поглинає, втратила майже всю свою масу, яка зараз становить не більше третини маси Сонця. Вчені вважають, що зірка-компаньйон була захоплена ще до того, як чорна діра була викинута з скупчення.

Відносна близькість до Сонця дозволила астрономам використовувати мережу радіотелескопів VLBA для визначення параметрів руху чорної діри. Спостереження VLBA були зроблені в травні та липні 2001 року, повною мірою використавши найвищу роздільну здатність мережі для виявлення зміщення об’єкта відносно більш віддалених небесних тіл.

Хоча раніше було відкрито кілька «середньомасивних» чорних дір, тепер можна спостерігати велику кількість таких об’єктів і з’ясувати їх зв’язок з утворенням зірок і утворенням набагато більш масивних чорних дір. На конференції Американського астрономічного товариства три незалежні групи повідомили про десятки джерел рентгенівського випромінювання, знайдених у галактиках з високою швидкістю утворення зірок. Ці джерела мають точковий вигляд і в десятки тисяч разів яскравіші за подібні джерела, виявлені в нашій Галактиці та галактиці M81.

Першим, хто припустив існування чорних дір, був Симон-П’єр де Лаплас, який, вивчаючи теорію гравітації, висунув гіпотезу про існування об’єктів, що рухаються зі швидкістю, що перевищує швидкість світла. Вчений припустив, що існує тіло, швидкість якого настільки висока (близько 300 000 км/с), що з його поверхні не можна випромінювати світло.

Стівен Хокінг, незважаючи на своє важке життя, затьмарене втратою дару мови та повною нерухомістю, написав багато робіт, у тому числі пов’язаних зі спробами пояснити фізичні основи теорії Великого вибуху, розпізнавання чорних дір і значних деформацій. простору і часу всередині них.

Одним з найцікавіших фактів, висунутих Хокінгом, було те, що чорні діри не є повністю «чорними», але можуть випромінювати випромінювання за рахунок квантових ефектів, перш ніж вони зникнуть або вибухнуть.

Багато цікавого можна дізнатися про чорні діри, уважно вивчаючи їх. У безодні Всесвіту є стільки нового і незвіданого, що буде вивчатися, я думаю, ще довго.

Є впевненість, що з удосконаленням технологій ми колись зможемо з’ясувати, спростувати чи довести сьогоднішні припущення та гіпотези, які люди висловлювали сотні років тому.

Справедливо сказав Дж. Друно: «Душевна сила ніколи не заспокоїться, вона ніколи не зупиниться на пізнаній правді, але завжди буде йти вперед і далі, до невідомої істини».

  1. Зубков Б. В., Чумаков С. В. «Енциклопедія юного техніка» «Педпгогика»; М., 1988.

  2. Ейса Бріггс, Ангус Хол Коли? куди? як ? і чому це сталося?» 1993;

  3. Ранджіні Дж. Довідник «Космос». — М., «Росмен» 2000.

— один —

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *