Черные дыры. 6

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………….3                                                                                    

1. Что собой представляют черные дыры? ………………………………….....4  

2. Свойства черных дыр …………………………………………………………5       

2. Перспективы изучения черных дыр …………………………………………6

Заключение……………………………………………………………………….10                                                                             

Список используемой литературы……………………………………………...11                                             

Введение

Уже несколько десятилетий  астрономический мир волнует  проблема существования «черных  дыр» во вселенной — удивительнейших  объектов, предсказанных физиками на основе общей теории относительности  А. Эйнштейна. «Черные дыры» —  материальные тела, сжатые силами собственного тяготения до таких размеров, что  ни свет, ни какие-либо другие частицы  не могут покинуть поверхность и  уйти в бесконечность.

В наше время трудно найти  человека, который не слышал бы о  черных дырах. Вместе с тем, пожалуй, не менее трудно отыскать того, кто  смог бы объяснить, что это такое. Впрочем, для специалистов черные дыры уже перестали быть фантастикой - астрономические наблюдения давно  доказали существование как "малых" черных дыр (с массой порядка солнечной), которые образовались в результате гравитационного сжатия звезд, так  и сверхмассивных (до 10⁹ масс Солнца), которые породил коллапс целых звездных скоплений в центрах многих галактик, включая нашу. В настоящее время микроскопические черные дыры ищут в потоках космических лучей сверхвысоких энергий (международная лаборатория Pierre Auger, Аргентина) и даже предполагают "наладить их производство" на Большом адронном коллайдере (БАК). Однако подлинная роль черных дыр, их "предназначение" для Вселенной, находится далеко за рамками астрономии и физики элементарных частиц. При их изучении исследователи глубоко продвинулись в научном понимании прежде сугубо философских вопросов - что есть пространство и время, какова связь между материей и информацией.

Целью данной работы является раскрытие сущности черных дыр и  их свойств, а также рассмотрение перспектив изучения этого космического феномена.

Что собой представляют чёрные дыры?

 Чёрная дыра — объект в пространстве-времени, гравитационное притяжение которого настолько велико, что покинуть его поверхность не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Как известно, чтобы покинуть какой-нибудь космический объект, будь то планета или звезда, нужно развить вторую космическую скорость. Только тогда станет возможным преодолеть силу притяжения и уйти от этого объекта. А сила притяжения зависит от его массы – для Луны меньше, для Земли больше, для Солнца – намного больше. В 1784 году один из ученых, Джон Мичелл, предположил, что в космосе могут существовать огромные объекты, которые имеют такую массу, что вторая космическая скорость для них равна или превышает скорость света. В таком случае свет их просто не в состоянии покинуть. Однако, вплоть до начала 20-го века, эта идея не нашла поддержки. Лишь с появлением теории относительности Эйнштейна стало возможным предположить, что же происходит в «черной дыре», хотя настоящих их, конечно же, найдено тогда не было.

Черная дыра может образоваться еще при рождении Вселенной, или из погасшей звезды, потратившей свое ядерное горючее и остывающей. При снижении температуры такая звезда сжимается, ведь давление в ней падает, термоядерные процессы внутри прекращаются. Это уменьшение может остановиться на каком-то этапе, тогда возникает очень плотный белый карлик – звезда большой плотности и массы, но сравнительно небольшого размера. Но иногда сжатие происходит и дальше, и тогда возникает тело очень большой плотности и имеющее очень мощную гравитацию.

Процесс образования черных дыр из звезд недостаточно изучен, ведь в земных условиях невозможно получить вещество такой же плотности. Известно лишь, что на этот процесс влияет химический состав первоначальной звезды и в момент ее сжатия – коллапса, мы можем наблюдать взрыв сверхновой. При этом высвобождается огромное количество энергии, происходит выброс газа в окружающее пространство, а остатки спадаются к центру звезды. В результате может получиться удивительный объект с массой в миллионы-миллиарды раз больше солнечной, но диаметром всего в несколько десятков километров! Плотность вещества там просто невероятна – сотни, а то и тысячи тонн на кубический миллиметр! Вот эта «штука» и есть ядро «черной дыры». Дальше происходят не менее интересные вещи.

Из-за огромного притяжения черная дыра не излучает света – кванты света просто не могут преодолеть ее гравитацию. Однако она начинает притягивать вещество из окружающего пространства. Оно закручивается спиралью и падает на поверхность «черной дыры». При столкновении со звездой «черная дыра» поглощает и ее. Даже на расстоянии она может своей гравитацией практически разорвать звезду на части, а затем поглотить ее вещество. В марте 2011 года группа ученых впервые зафиксировала гибель звезды, которую поглотила черная дыра. Это возможно с помощью гравитационных телескопов и изучения мощного рентгеновского излучения.

2. Свойства черных дыр

Черные дыры обладают чудовищной разрушающей силой. Поле их тяготения  затягивает любой оказавшийся поблизости объект в неизведанную страну забвения, откуда никому нет возврата. Вещество, приближающееся к черной дыре по спирали, сильно нагревается (его температура  может достигать миллионов градусов) и поэтому ярко светится. Часть  его кинетической энергии и импульса может передаваться струе частиц, выбрасываемых наружу со скоростями, близкими к скорости света. Черные дыры разных размеров создают мощные потоки излучения и плазмы, наблюдаемые  повсюду в космосе.

В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации Эйнштейна  свойства черных дыр изучены весьма подробно. Наиболее любопытные особенности  черных дыр таковы:

1) Вблизи черной дыры  время течет медленнее, чем  вдали от нее. Если удаленный  наблюдатель бросит в сторону  черной дыры зажженный фонарь, то увидит, как фонарь будет  падать все быстрее и быстрее,  но затем, приближаясь к поверхности  Шварцшильда, он начнет замедляться,  а его свет будет тускнеть  и краснеть (поскольку замедлится  темп колебания всех его атомов  и молекул). С точки зрения далекого  наблюдателя, фонарь практически  остановится и станет невидим,  так и не сумев пересечь  поверхность черной дыры. Но если  бы наблюдатель сам прыгнул  вместе с фонарем, то он за  короткое время пересек бы  поверхность Шварцшильда и упал  к центру черной дыры, будучи  при этом, к сожалению, разорван  ее мощными приливными силами.

2) Каким бы сложным  не было исходное тело, после  его сжатия в черную дыру  внешний наблюдатель может определить  только три его параметра: массу,  момент импульса и электрический  заряд. Все остальные особенности  тела (форма, распределение плотности,  химический состав и пр.) в ходе  коллапса «стираются». Например, если сжималось незаряженное  и невращающееся тело, то в результате получится шварцшильдовская (сферически симметричная) черная дыра, а все исходные неровности тела излучатся при коллапсе в форме гравитационных волн.

3) Если исходное тело  вращалось, то вокруг черной  дыры сохраняется «вихревое»  гравитационное поле, увлекающее  все соседние тела во вращательное  движение вокруг нее. Поле тяготения  вращающейся черной дыры называют  полем Керра (который первым  нашел решение соответствующих  уравнений).

4) Все вещество внутри  черной дыры непременно падает  к ее центру и образует сингулярность  с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хокинг определяет сингулярность как «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени».

5) Хотя черная дыра  «все съедает и ничего не  отпускает», тем не менее возможен обмен энергией между ней и внешним пространством, например, пролетающие вблизи нее частицы или кванты могут уносить энергию ее вращения. Кроме этого С. Хокинг открыл возможность очень медленного самопроизвольного квантового «испарения» черных дыр, который, вообще говоря, может приводить к их полному исчезновению. 

2. Перспективы изучения черных дыр.

Дальнейшее изучение феномена черных дыр стало возможным благодаря  появлению сверхмощных космических телескопов, позволяющих астрономам разделять сложные явления во внутренних областях галактик на составные части.

Так, совсем недавно орбитальный телескоп Хаббл передал на Землю эпохальные снимки. Они показывают центр крупной галактики "Центавр-А" (NGC 5128), расположенной по космическим меркам недалеко от Земли - десять миллионов световых лет. Находящаяся там массивная черная дыра "заглатывает" маленькую соседнюю галактику. Специальная фотокамера отчетливо показала окружающий галактику NGC 5128 темный пояс из пыли со множеством светящихся голубым цветом недавно рожденных звезд и пылевых сгущений, погруженных в газовые облака. Снимки, сделанные в инфракрасных лучах, помогли астрономам заглянуть за пылевой занавес. Они открыли там изогнутую шайбу горячего газа, которая всасывается в черную дыру. Этот пожиратель материи оказался очень компактным: он немного больше нашей солнечной системы и содержит массу, равную одному миллиарду солнц.

Ученые продолжают вести  исследования черных дыр, играющих важную роль в эволюции Вселенной. До сих  пор точно установлено существование  двух видов черных дыр - сверхкрупных, являющихся центрами всех известных  галактик, и компактных черных дыр, образовавшихся вследствие коллапса звезд-гигантов. В первом случае масса черных дыр  в миллионы и миллиарды раз  превышает массу Солнца, а малые  черные дыры массивнее Солнца примерно на порядок. Не так давно астрономы  наблюдали образование коллапсара из звезды, которая в пятнадцать раз тяжелее Солнца.

Однако уже в течение  долгого времени астрономы обсуждают  гипотезу о существовании промежуточного типа черных дыр, которые массивнее  Солнца на два-три порядка. До сих  пор существование таких черных дыр не установлено с достаточной  степенью достоверности, хотя их поиски и дают определенные результаты. Еще  одно доказательство существования  черных дыр промежуточного класса представил Джон Миллер из Смитсонского астрофизического центра в Гарварде.

Для проведения своих наблюдений Миллер использовал данные европейского спутника XMM-Newton и снимки ряда объектов в спиральной галактике NGC 1313, находящейся от нас на расстоянии в 10 млн. световых лет. С помощью рентгеновских изображений, полученных XMM-Newton, была измерена температура газа, поглощаемого черной дырой в этой галактике. Миллер и его коллеги предположили, что для небольших черных дыр температура поглощаемого и движущегося по спирали газа должна быть выше, поскольку газ идет по орбите меньшего диаметра, чем в случае крупной черной дыры.

Путем анализа измерений  Миллер и его коллеги установили, что масса черной дыры в галактике NGC 1313, как минимум, в сто раз  больше массы Солнца. Скорее всего масса черной дыры превосходит массу Солнца в 200-500 раз. Как образуются средние черные дыры, пока не ясно. Они могут возникать в результате слияния нескольких черных дыр поменьше или образовываться в результате коллапса сверхкрупных звезд, когда-то существовавших во Вселенной. Пока ни одна из этих гипотез не подтверждена на практике.

Не оставляют ученые и  изучения сверхбольших черных дыр. Не так давно им удалось "взвесить" самый далекий от Земли объект такого рода. Согласно этим данным, черная дыра в центре квазара SDSS J1148+5251 по массе  в три миллиарда раз превосходит  наше Солнце. Квазар SDSS J1148+5251 находится  на расстоянии в 13 млрд. световых лет  от Земли, то есть сейчас астрономы  видят его таким, каким объект был 13 млрд. лет назад - спустя всего 3 млрд. лет после Большого взрыва.

По одной из гипотез, квазары  считаются предтечами обычных галактик. Они представляют собой области  космоса, заполненные газом, который  с большой скоростью поглощается  центральной черной дырой. Поскольку  поглощаемый газ разгоняется  до скоростей, сопоставимых со скоростью  света, процесс поглощения сопровождается интенсивным излучением в видимом, рентгеновском и радиодиапазонах. По этой причине квазары - одни из самых  ярких космических объектов. Впрочем, черные дыры поглощают не весь газ, имеющийся в квазаре. В некоторых  областях образуются сгустки газа, из которых формируются звезды. В  конце концов, квазары превращаются в галактики, подобные нашему Млечному Пути.

Масса черной дыры в SDSS J1148+5251 была определена с помощью данных, полученных британским инфракрасным телескопом UKIRT, установленным на Гавайских  островах. Ученые оценили массу черной дыры, сравнив скорость, с которой  вокруг нее вращается облако ионизированного  магния. Эти данные были сопоставлены с аналогичными наблюдениями более  близких квазаров, масса черных дыр  в которых определена достаточно точно. В ближайшее время аналогичная  методика будет использоваться для  изучения еще шестнадцати далеких  квазаров.

Физики Калифорнийского  технологического института сообщили о разработке новой системы визуализации искривления пространства-времени  рядом с черными дырами. С ее помощью ученые намерены выяснить причины целого ряда космических явлений, среди которых – излучение гравитационных волн и слияние черных дыр.

В рамках Гинзбурговской конференции по физике, проходившей в Физическом институте им. П.Н. Лебедева летом 2012 года, заслуженный профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн представил свой взгляд на современное состояние исследований черных дыр и на перспективы этого направления науки. Главным тезисом выступления стала идея о том, что мы стоим на пороге нового «золотого века» в изучении черных дыр.

Такой оптимизм Торн объяснил значительным прогрессом, который в последнее время наблюдается в разработке двух важных инструментов для изучения динамического поведения искривленного пространства-времени вблизи черных дыр.

Первый из них – численное  моделирование процессов, происходящих в черных дырах, – появился в 1960-х  годах, однако активное развитие получил  в последние семь лет. Таким численным  моделированием сейчас занимаются несколько  исследовательских коллективов  в Америке и Европе. Второй инструмент, разработка которого также началась в 1960-х годах, – детектирование гравитационных волн и связанное с этим наблюдение столкновений и слияний черных дыр. С использованием этих инструментов связана и представленная Торном работа, которую его группа в Калифорнийском технологическом институте проводит с коллегами из других научных организаций.

Согласно общей теории относительности, пространство-время  искривляется вблизи вращающихся массивных  тел, в частности, вблизи черных дыр. Данное явление очень хорошо известно физикам и было доказано спутниковыми наблюдениями в 1990-х годах, однако его  сложно представить наглядно ввиду  того, что каждая точка пространства-времени  характеризуется 10 различными параметрами. Группа Торна предложила сравнительно простую модель, раскрывающую суть процесса искривления. Исследователи обозначили параметры векторами, которые, сливаясь, образуют протяженные линии.

Предложенная система  визуализации позволит по-новому взглянуть  на огромный массив данных, полученных с помощью компьютерного моделирования. Наиболее перспективный способ исследования геометродинамики на сегодняшний день – это численное моделирование  столкновений и слияний парных черных дыр. С помощью нового метода физики, в частности, рассчитывают выяснить, почему при столкновениях происходит направленный выброс гравитационных волн – зачастую сильный настолько, что черная дыра оказывается вне галактики, в которой она зародилась.

Помимо этого, физики надеются, что новая технология поможет  им определить свойства гравитационных волн, а, следовательно, и обнаружить

сами волны  среди массива данных, которые  поступают в гравитационно-волновые обсерватории.

По мнению Кипа Торна, кульминация «золотого века» исследований черных дыр наступит тогда, когда эти обсерватории смогут исследовать выявленные нелинейные структуры и другие аспекты нелинейной динамики искривленного пространства-времени.

Программа, моделирующая свойства черных дыр, будет также использоваться при проведении экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК, LHC).

Группа физиков и экспериментаторов  создала программу, моделирующую свойства черных дыр. Программа  «BlackMax», на создание которой ушло два года, позволит проверить различные теории зарождения и распада черных дыр; результаты моделирования будут, как утверждается, использоваться при проведении экспериментов на БАК.

Уже первые расчеты дали интересные результаты. К примеру, черные дыры, если они вообще образуются в ходе работы коллайдера, должны рождаться вращающимися. При их распаде следует также ожидать появления большего числа частиц (и более изотропного их распределения в пространстве), чем при взаимодействиях, описываемых Стандартной моделью теории элементарных частиц. Наконец, при определенных условиях черная дыра должная распадаться с образованием гравитонов (гипотетических элементарных частиц, которые служат переносчиками гравитационного взаимодействия).

Один из руководителей исследования Глен Старкман подчеркивает особую важность экспериментов на БАК, замечая, что если ученым удастся зарегистрировать образование черных дыр, то откроется возможность объединения двух величайших достижений ХХ века: квантовой механики и общей теории относительности.

Заключение

Существование черных дыр, предсказанных в их современном понимании общей теорией относительности, с большой долей вероятности уже подтверждено наблюдениями. Если эта вероятность превратится в полную уверенность, то уже роль черных дыр как источников активности ядер галактик и квазаров позволит считать их важнейшим элементом мироздания. Не исключено, что еще не открытые первичные черные дыры, если они действительно существуют, имеют куда большую значимость для космофизики, чем это кажется сегодня.

Доминирующая теория гласит, что чёрные дыры возникают на месте  выгоревших массивных звёзд: при  коллапсе светила плотность вещества становится настолько высокой, что  гравитационное притяжение в этой области  начинает втягивать в себя окружающую материю.

Наиболее любопытные свойства черных дыр таковы:

• Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее;
• Если исходное тело вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется «вихревое» гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее;
• Каким бы сложным не было исходное тело, после его сжатия в черную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: массу, момент импульса и электрический заряд;
• Все вещество внутри черной дыры непременно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью.

Дальнейшее изучение феномена черных дыр стало возможным благодаря  появлению сверхмощных космических телескопов, позволяющих астрономам разделять сложные явления во внутренних областях галактик на составные части.

Так, например, для проведения своих наблюдений физик Джон Миллер из Смитсонского астрофизического центра в Гарварде, использовал данные европейского спутника XMM-Newton и снимки ряда объектов в спиральной галактике NGC 1313, находящейся от нас на расстоянии в 10 млн. световых лет. С помощью рентгеновских изображений, полученных XMM-Newton, была измерена температура газа, поглощаемого черной дырой в этой галактике, а также установлена масса этой черной дыры.

Физики Калифорнийского  технологического института сообщили о разработке новой системы визуализации искривления пространства-времени  рядом с черными дырами. С ее помощью ученые намерены выяснить причины  целого ряда космических явлений, среди  которых – излучение гравитационных волн и слияние черных дыр.

Программа, моделирующая свойства черных дыр, будет также использоваться при проведении экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК, LHC).

Безусловно, в изучении черных дыр пока больше вопросов, чем ответов. Однако, с каждым днем ученые все  ближе к разгадке этой тайны

Список литературы:

1. Зельнович Я.Б., Новиков И.Д. Теория тяготения и эволюции звезд. М., 1971
2. Липунов В.М. В мире двойных звезд. М.: Квант, 1986.
3. Новиков И.Д., Фролов В.П. Физика черных дыр. – М.: Наука, 1986.
4. Новиков И.Д. Черные дыры и Вселенная. М.: Мол. гвардия, 1985
5. Транковский С. Черные дыры во вселенной. «Наука и жизнь» № 8, 2000 г., стр. 83 – 87.
6. Хокинг С. Краткая история времени от большого взрыва до черных дыр. – Санкт-Петербург, 2001.
7. Хокинг С. Черные дыры и молодые вселенные. – М.: Новая Эврика, 2002.
8. Фролов В.П. Черные дыры и квантовые процессы в них. УФН, 1976