Черные дыры. 11

Оглавление

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

1. Как они возникают……………………………………………….………..4
2. Гравитационный коллапс……………………………………….………...7
3. Размеры черных дыр……………………………………………………....9
4. Как увидеть невидимое…………………………………………….….…11
5. Черная дыра может быть и «белой»………………………………….....13

Заключение……………………………………………………………………....15

Список  использованной литературы…………………………………………..16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     В научно-популярной литературе, статьях  о Вселенной часто можно встретить  термин «черная дыра». Упоминание о  дырах во Вселенной, первоначально также ассоциируется с неким отверстием в небесах. В современной науке черной дырой принято называть область пространства- времени, в которой гравитационное поле (тяготение) столь сильно, что ни один объект (даже излучение) не может вырваться из нее. Название же «черная дыра» ввел в обиход в 1968 году американский физик Джон Уилер в своей статье об этих удивительных небесных объектах. Новый термин сразу стал популярен, заменив собой использовавшиеся до того названия «коллапсар» и «застывшая звезда». Значит, эти небесные объекты попросту подобие звезды, но с очень сильным полем тяготения? Но это будет слишком простым и не совсем верным описанием, пожалуй, самых таинственных объектов во Вселенной. Чтобы глубже понять, что же это такое, вернемся ненадолго во времена великого физика Исаака Ньютона, открывшего закон всемирного тяготения. Легенда о яблоке, упавшем на голову Ньютона, может носить спорный характер, но, как бы там ни было, гениальная догадка ученого позволила вывести закон об универсальной силе, действию которой подвержено абсолютно все. Поле тяготения действует не только на объемные тела, которые притягиваются друг к другу, но на микрочастицы и даже на свет. Это очень важный момент, самым кардинальным образом связанный с изучением свойств черных дыр. Первым, кто допустил существование невидимых звезд, был ученый 18-19 веков Пьер Симон Лаплас (1749 – 1827), знаменитый тем, что создал теорию образования планет Солнечной системы из разряженной материи (облака). О невидимых звездах Лаплас впервые написал в 1795 году. Руководствуясь законом всемирного тяготения, он пришел к выводу, что звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми.

1. Как  они возникают

     В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет  независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.

     Логика  ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно  вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет - это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, "убежавшего" на бесконечно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой

     где M - масса космического объекта, R - его радиус, G - гравитационная постоянная.

     Отсюда  легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название "гравитационный радиус r_g^"), при котором скорость убегания равна скорости света:

     Это значит, что звезда, сжатая в сферу  радиусом r_g < 2GM/c², перестанет излучать - свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.

     Несложно  рассчитать, что Солнце (его масса 2^.10³³ г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10¹⁶ г/см³. Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.

     Казалось  невероятным, что в природе могут  найтись силы, способные сжать  звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела  и Лапласа более ста лет  считались чем-то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.

     Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в  космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварцшильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r_g.

     Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то есть особыми. Сингулярность в нулевой точке отражает точечную, или, что то же самое, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическое тело - звезду или планету - можно представить как материальную точку). А точки, расположенные на сферической поверхности радиусом r_g, образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скорости света. В общей теории относительности она именуется сингулярной сферой Шварцшильда или горизонтом событий.

     Уже на примере знакомых нам объектов - Земли и Солнца - ясно, что черные дыры представляют собой весьма странные объекты. Даже астрономы, имеющие дело с веществом при экстремальных  значениях температуры, плотности  и давления, считают их весьма экзотическими, и до последнего времени далеко не все верили в их существование. Однако первые указания на возможность образования черных дыр содержались уже в общей теории относительности А. Эйнштейна, созданной в 1915 году. Английский астроном Артур Эддингтон, один из первых интерпретаторов и популяризаторов теории относительности, в 30-х годах вывел систему уравнений, описывающих внутреннее строение звезд. Из них следует, что звезда находится в равновесии под действием противоположно направленных сил тяготения и внутреннего давления, создаваемого движением частиц горячей плазмы внутри светила и напором излучения, образующегося в его недрах. А это означает, что звезда представляет собой газовый шар, в центре которого высокая температура, постепенно понижающаяся к периферии. Из уравнений, в частности, следовало, что температура поверхности Солнца составляет около 5500 градусов (что вполне соответствовало данным астрономических измерений), а в его центре должна быть порядка 10 миллионов градусов. Это позволило Эддингтону сделать пророческий вывод: при такой температуре "зажигается" термоядерная реакция, достаточная для обеспечения свечения Солнца. Физики-атомщики того времени с этим не соглашались. Им казалось, что в недрах звезды слишком "холодно": температура там недостаточна, чтобы реакция "пошла".

     И в конечном итоге он оказался прав: в центре звезды действительно идет термоядерная реакция. Но, тем не менее, реакция в центре звезды проходит, звезда светит, а излучение, которое при этом возникает, удерживает ее в стабильном состоянии. Но вот ядерное "горючее" в звезде выгорает. Выделение энергии прекращается, излучение гаснет, и сила, сдерживающая гравитационное притяжение, исчезает. Существует ограничение на массу звезды, после которого звезда начинает необратимо сжиматься. Расчеты показывают, что это происходит, если масса звезды превышает две-три массы Солнца.

     2. Гравитационный  коллапс 

     Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его  темп непрерывно возрастает, поскольку  сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света. И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.

     Скорость  убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих  представлений о природе света. С точки зрения общей теории относительности  явления в окрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В ее мощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение. Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта, смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда, частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийся за ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри. Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.

     Но  уменьшение частоты равнозначно  замедлению времени, и, когда частота становится равна нулю, время останавливается. Это означает, что посторонний наблюдатель увидит очень странную картину: оболочка звезды, падающая с нарастающим ускорением, вместо того, чтобы достигнуть скорости света, останавливается. С его точки зрения, сжатие прекратится, как только размеры звезды приблизятся к гравитационному радиусу. Он никогда не увидит, чтобы хоть одна частица "нырнула" под сферу Шварцшильда. Но для гипотетического наблюдателя, падающего на черную дыру, все закончится в считанные мгновения по его часам. Так, время гравитационного коллапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактной нейтронной звезды - только 1/20 000 секунды. И здесь его подстерегает неприятность, связанная с геометрией пространства-времени вблизи черной дыры.

     Наблюдатель попадает в искривленное пространство. Вблизи гравитационного радиуса  силы тяготения становятся бесконечно большими; они растягивают ракету с космонавтом-наблюдателем в бесконечно тонкую нить бесконечной длины. Но сам он этого не заметит: все его деформации будут соответствовать искажениям пространственно-временных координат. Эти рассуждения, конечно, относятся к идеальному, гипотетическому случаю. Любое реальное тело будет разорвано приливными силами задолго до подхода к сфере Шварцшильда.

     Роджер  Пенроуз, профессор математики Биркбекского колледжа Лондонского университета, рассмотрел любопытный случай коллапса и образования чёрной дыры. Он также  допускает, что чёрная дыра исчезает, а затем проявляется в другое время в какой-то иной вселенной. Кроме того, он утверждает, что рождение чёрной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией пространства-времени происходит нечто необычное. Исследования Пенроуза показывают, что коллапс заканчивается образованием сингулярности, то есть он должен продолжаться до нулевых размеров и бесконечной плотности объекта. Последнее условие даёт возможность другой вселенной приблизиться к нашей сингулярности, и не исключено, что сингулярность перейдёт в эту новую вселенную. Она даже может появиться в каком-либо другом месте нашей собственной Вселенной.

     3. Размеры черных  дыр

     Сейчас  разработаны два метода для измерения  масс черных дыр, располагающихся в  квазарах. Оба они включают неопределенность.

     Первый  из методов основан на изменчивости квазаров и на том факте, что вокруг каждой сверхмассивной черной дыры обращаются огромные газовые облака. По мере того как изменяется энергия, излучаемая черной дырой, изменяется и яркость излучения вращающихся вокруг нее газовых облаков. Поскольку свет перемещается с конечной скоростью, изменения яркости газовых облаков видны позже, чем изменения яркости центрального источника излучения. Разница во времени позволяет вычислить, как далеко от черной дыры располагаются облака газа. Скорость, с которой облака обращаются вокруг черной дыры, также может быть измерена. Взятые вместе эти измерения позволяют получить массу черной дыры. Однако не существует способа проверить эти данные, и некоторые из свойств газовых облаков, принимаемые в данной модели, вызывают сомнения.

     Вторая модель вызывает еще большие сомнения. До сих пор  большинство специалистов не доверяет данным, полученным на основе таких методов вычисления масс черных дыр. Тем не менее астрономы из университета Остина показали, что данные, получаемые этими методами, соответствуют обнаруженной недавно зависимости между массами черных дыр и массами галактик

     Размер  черной дыры, а точнее - радиус сферы  Шварцшильда пропорционален массе  звезды. А поскольку астрофизика  никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и черная дыра может  быть сколь угодно велика. Если она, например, возникла при коллапсе звезды массой 10⁸ масс Солнца (или за счет слияния сотен тысяч, а то и миллионов сравнительно небольших звезд), ее радиус будет около 300 миллионов километров, вдвое больше земной орбиты. А средняя плотность вещества такого гиганта близка к плотности воды.

     По-видимому, именно такие черные дыры находятся  в центрах галактик. Во всяком случае, астрономы сегодня насчитывают  около пятидесяти галактик, в центре которых, судя по косвенным признакам (речь о них пойдет ниже), имеются  черные дыры массой порядка миллиарда (10⁹) солнечной. В нашей Галактике тоже, видимо, есть своя черная дыра; ее массу удалось оценить довольно точно - 2,4^.10⁶±10% массы Солнца.

     Теория  предполагает, что наряду с такими сверхгигантами должны были возникать  и черные мини-дыры массой порядка 10¹⁴ г и радиусом порядка 10^-12 см (размер атомного ядра). Они могли появляться в первые мгновения существования Вселенной как проявление очень сильной неоднородности пространства-времени при колоссальной плотности энергии. Условия, которые были тогда во Вселенной, исследователи сегодня реализуют на мощных коллайдерах (ускорителях на встречных пучках). Эксперименты в ЦЕРНе, проведенные в начале этого года, позволили получить кварк-глюонную плазму - материю, существовавшую до возникновения элементарных частиц. Исследования этого состояния вещества продолжаются в Брукхевене - американском ускорительном центре. Он способен разогнать частицы до энергий, на полтора-два порядка более высоких, чем ускоритель в  
ЦЕРНе. Готовящийся эксперимент вызвал нешуточную тревогу: не возникнет ли при его проведении черная мини-дыра, которая искривит наше пространство и погубит Землю?

     Это опасение вызвало столь сильный  резонанс, что правительство США  было вынуждено созвать авторитетную комиссию для проверки такой возможности. Комиссия, состоявшая из видных исследователей, дала заключение: энергия ускорителя слишком мала, чтобы черная дыра могла возникнуть.

     4. Как увидеть  невидимое

     Само  название - чёрные дыры - говорит о  том, что это класс объектов, которые  нельзя увидеть. Их гравитационное поле настолько сильно, что если бы каким-то путём удалось оказаться вблизи чёрной дыры и направить в сторону от её поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от Земли до Солнца. Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля чёрной дыры и покинуть её поверхность. Именно поэтому такая поверхность называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу чёрной дыры.

     Черные  дыры ничего не излучают, даже свет. Однако астрономы научились видеть их, вернее - находить "кандидатов" на эту  роль. Есть три способа обнаружить черную дыру.

     1. Нужно проследить за обращением  звезд в скоплениях вокруг  некоего центра гравитации. Если  окажется, что в этом центре  ничего нет, и звезды крутятся  как бы вокруг пустого места,  можно достаточно уверенно сказать: в этой "пустоте" находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.

     2. Черная дыра активно всасывает  в себя материю из окружающего  пространства. Межзвездная пыль, газ,  вещество ближайших звезд падают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. (Именно это и пугало в брукхевенском эксперименте: черная мини-дыра, возникшая в ускорителе, начнет всасывать в себя Землю, причем процесс этот никакими силами остановить было бы нельзя.) Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне. И если из какой-то области Вселенной приходит такое излучение, можно с уверенностью сказать - там должна быть черная дыра.

     3. При слиянии двух черных дыр  возникает гравитационное излучение.  Подсчитано, что если масса каждой  составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования - пять миллиардов лет. Обнаружить гравита-ционное излучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других, которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российских исследователей.

     И все-таки, хотя у астрономов нет никаких  сомнений в существовании черных дыр, категорически утверждать, что в данной точке пространства находится именно одна из них, никто не берется. Научная этика, добросовестность исследователя требуют получить на поставленный вопрос ответ однозначный, не терпящий разночтений. Мало оценить массу невидимого объекта, нужно измерить его радиус и показать, что он не превышает шварцшильдовский. А даже в пределах нашей Галактики эта задача пока не разрешима. Именно поэтому ученые проявляют известную сдержанность в сообщениях об их обнаружении, а научные журналы буквально набиты сообщениями о теоретических работах и наблюдениях эффектов, способных пролить свет на их загадку.

     Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически, которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии: масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца.

     5. Черная дыра  может быть и «белой»

     Долгое  время черные дыры считались воплощением  тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.

     Согласно  представлениям квантовой механики, вакуум - не пустота, а некая "пена пространства-времени", мешанина из виртуальных (ненаблюдаемых в нашем мире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны "выбросить" из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двух-трех гамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичные явления неоднократно наблюдались в лабораториях.

     Именно  квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр. Если пара частиц, обладающих энергиями E и -E (полная энергия пары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшая судьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу же или вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры не изменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдатель зарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра. При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией -E, уменьшит свою энергию, а с энергией E - увеличит.

     Хокинг  подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пршел к выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше. Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу - испаряется. Кроме того она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6^.10^-8 M_с/M кельвинов, где M_с - масса Солнца (2^.10³³ г), M - масса черной дыры. Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой, в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса. Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Иное дело - мини-дыры. Легко увидеть, что при массе 10¹⁴-10³⁰ граммов они оказываются нагретыми до десятков тысяч градусов и раскалены добела. Следует, однако, сразу отметить, что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускается слоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.

     Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, рано или поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она "худеет", темп испарения  нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано, что мини-дыры массой 10¹⁴ граммов, возникшие сразу после Большого взрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью. На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины, поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии. Возможно, именно они порождают в атмосфере Земли широкие амосферные ливни - ШАЛы. Во всяком случае, происхождение частиц аномально высокой энергии - еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связана с не менее захватывающими вопросами физики черных дыр.

     Заключение

     Некоторые учёные рассматривают образование  чёрной дыры как маленькую модель того, что, согласно предсказаниям общей  теории относительности, в конечном счёте может случиться со Вселенной. Общепризнано, что мы живём в неизменно расширяющейся Вселенной, и один из наиболее важных и насущных вопросов науки касается природы Вселенной, её прошлого и будущего. Без сомнения, все современные результаты наблюдений указывают на расширение Вселенной, однако на сегодня один из самых каверзных вопросов таков: замедляется ли скорость этого расширения, и если да, то не сожмётся ли Вселенная через десятки миллиардов лет, образуя сингулярность.

       Я считаю, что когда-нибудь человечество сможет выяснить, по какому пути следует Вселенная, но, быть может, много раньше, изучая информацию, которая просачивается при рождении чёрных дыр, и те физические законы, которые управляют их судьбой, люди смогут предсказать окончательную судьбу Вселенной. Ведь многое про космос не изучено. Безусловно, на черные дыры следует обратить внимание и более тщательно изучить эту проблему. Государству нужно больше денег выделять на изучение космоса, на совершенствование оборудования для научных целей.

     Список использованной литературы

1. Новиков И.Д., Фролов  В.П., Черные дыры во Вселенной// Успехи физических наук, 2001 – Т.131,№3.
2. Транковский С., Черные дыры во Вселенной, «Наука и жизнь», М, 2000, № 8, стр. 83-87
3. Черепащук А.М., Чёрные дыры во Вселенной. Наука сегодня. — Век 2, 2005. — с. 64