Чёрные дыры во Вселенной

МБОУ «Большеусинская  сош»

 

 

 

ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ

ВО ВСЕЛЕННОЙ.

 

 

Автор:

 Тюкалова  Анастасия Павловна 

ученица 10 класса.

 

Руководитель:

Рогожников  В.Г.

Учитель физики и ОБЖ.

 

 

 

 

Декабрь 2012 года

Оглавление.

 

1.Введение…………………………………………………. стр.3

1.1.Что такое «Чёрная дыра»?............................................. стр.4

1.1.1. Их возникновения………………………………………………….. стр.4

1.1.2. Каково внешнее строение «чёрных дыр»…………….. стр.5

1.2. Цель исследования………………………………………………….. стр.6

1.2. Задачи………………………………………………………………………. стр.6

1.3. Методы исследования……………………………………………. стр.7

1.4. Гипотеза………………………………………………………………….. стр.7

2.Основная часть………………………………………...стр.7

2.1. Из истории....................................................................стр.7

2.2. Гравитационный коллапс……………………………………….. стр.9

2.3.Формирование «чёрных дыр»……………………………….. стр.10

2.4. Свойства «чёрных дыр»…………………………………………. стр.11

2.5. Эргосфера………………………………………………………………. стр.16

2.6. Поиски «чёрных дыр»…………………………………………… стр.16

2.7. Найдена ли уже «чёрная дыра»?.............................стр.18

2.8.Проведение эксперимента с крупинками чая………. стр.19

2.9. Результат исследования……………………………………….. стр.19

3. Заключение……………………………………………………… стр.19

         4. Список литературы…..................................................... стр.20

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение.

 

   Каждый, конечно, слышал или читал о «чёрных дырах». О них часто говорят в передачах по телевидению, по радио, пишут в газетах, в журналах и книгах разного жанра – от научных монографий до художественной и даже детской литературы. Откуда такая популярность? 
   Дело в том, что «чёрные дыры» – объекты совершенно фантастические по своим свойствам. Из всех измышлений человеческого ума, наверное, самое фантастическое – это образ «чёрной дыры», отделённой от остального пространства определённой границей, которую ничто не может пересечь. Законы современной физики фактически требуют, чтобы «чёрные дыры» существовали. Возможно, только наша Галактика содержит миллионы их. 
   К этому следует добавить, что внутри чёрной дыры удивительным образом меняются свойства пространства и времени, закручивающихся в своеобразную воронку, а в глубине находится граница, за которой время и пространство распадаются на кванты. Внутри «чёрной дыры», за краем этой своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы. 
«Чёрные дыры» являются самыми грандиозными источниками энергии во Вселенной. Они возникают также после смерти больших звёзд.

   Возможно, чёрные дыры в будущем станут источниками энергии для человечества.

   Я выбрала данную тему, так как это одна из самых интересных и загадочных тем астрономии. Я попыталась систематизировать научную информацию о «чёрной дыре» для получения представления об объекте, его свойствах и значениях для исследований будущего. Полагаю, что каждый из нас сможет найти в данной работе нечто захватывающее.

 

 

 

 

1.1.Что такое «Чёрная  дыра»

   «Чёрная дыра» – область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. Для находящихся там тел вторая космическая скорость  должна была бы превышать скорость света, что невозможно, поскольку ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Поэтому из «чёрной дыры» ничто не может вылететь. Границу области, за которую не выходит свет, называют «горизонтом событий», или просто «горизонтом» «чёрной дыры».

 

1.1.2. Возникновение «чёрных дыр».

   Если при жизни масса звезды была очень большая, то её смерть происходит по-другому, нежели чем у обычных звёзд. Гелиевое ядро в таких звёздах, сжимаясь, нагревается. В нём начинается синтез углерода, образуется углеродное ядро. Оно тоже сжимается. Начинается, в результате большего нагрева, синтез кислорода и т.д. В итоге, звезда начинает напоминать луковицу, в середине которой, на последней стадии цепи реакций вызревает железоникелевое ядро, в котором никакие реакции идти уже не могут, то есть образуется белый карлик. Но этот белый карлик увеличивается в массе, так как реакции в вышележащих слоях продолжаются. Когда этот карлик вырастает до массы в 1,4 солнечной, давление электронного газа не может в карлике удержать сил гравитации. Электроны как бы вдавливаются в протоны, образуя нейтроны, которые беспрепятственно сближаются. В мгновенье карлик уменьшается от размеров Земли до 10км. Практически достигнув плотности ядерного вещества, карлик резко прекращает сжатие. Вещество такой плотности своим внутренним давлением в очередной раз за жизнь звезды останавливает гравитацию. Внешние слои образовавшейся нейтронной звезды в первое мгновение всё ещё продолжают падать по инерции к центру, увеличивая давление, следствием чего является возникновение ударных волн, и выброс во внешние слои звезды огромного количества нейтронов. Это приводит к сбросу внешних слоев, к грандиозному взрыву, энергия которого сопоставима с энергией, излучаемой целой галактикой! Такой взрыв называют вспышкой сверхновой звезды. В процессе рассеивания в пространстве верхних слоев звезды, её яркость падает, сверхновая угасает, а на месте вспышки можно разглядеть её остаток - расширяющуюся туманность.

   В центре взрыва остаётся чрезвычайно нагретая нейтронная звезда, имеющая размер нескольких километров. Если же от звезды после взрыва остается много вещества, так, что его масса более, чем в три раза превышает солнечную, вместо нейтронной звезды может образоваться удивительный объект – «чёрная дыра». Сила тяжести на её поверхности столь высока, что её не может покинуть даже свет. Свойства таких звёзд очень сложны, их изучение ведётся теоретически самыми сложными математическими средствами. Увидеть же «чёрную дыру» нельзя - как было замечено, она не выпускает свет, даже самые высокоэнергетические фотоны. Дырами такие объекты прозваны потому, что всё, слишком близко приблизившееся к ним, неминуемо и безвозвратно падает на их поверхность. Всё вещество как бы пропадает в «чёрной дыре». Первоначальная масса звезды, из которой в конце получится «чёрная дыра», в 30 и более раз превосходит массу Солнца. Очень частыми образованиями «чёрные дыры» являются в двойных звёздах.     

В центре многих галактик, где звёзды находятся близко друг к другу, где часты столкновения между ними, существуют гигантские «чёрные дыры». Эти объекты, получившиеся путем слияния множества звёзд, уже язык не поворачивается называть звёздами. Массы их могут достигать многих тысяч масс Солнца. Своим сильным гравитационным притяжением такие «чёрные дыры» оказывают влияние на всю галактику.

 

1.1.3.Каково внешнее строение «чёрных дыр».

   «Чёрная дыра» обладает внешним гравитационным полем, свойства которого определяются массой, моментом вращения и, возможно, электрическим зарядом, если коллапсирующая звезда была электрически заряжена. На больших расстояниях поле «чёрной дыры» практически не отличается от полей тяготения обычных звёзд, и движение других тел, взаимодействующих с «чёрной дырой» на большом расстоянии, подчиняется законам механики Ньютона. Гравитационное поле настолько сильно, что абсолютно не может испускать свет, поэтому они кажутся чёрными. Катастрофическая гравитация сжатием (коллапсом) может заканчиваться, в частности, эволюция звёзд, масса которых к моменту сжатия превышает критическую величину.

   Если после потери устойчивости в звезде не происходит освобождения энергии, достаточной для остановки сжатия или для взрыва, при котором оставшаяся после взрыва масса стала бы меньше критической, то центральные части звезды коллапсируют и за короткое время достигают гравитационного радиуса rg. Никакие силы не могут воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды, если её радиус 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 результате гравитационного сжатия массивных звёзд появляется область пространства-времени, из которой не может выйти никакая информация о физических процессах, происходящих внутри неё.

 

1.2.Цель исследования:

   Изучить и обобщить информацию о «чёрных дырах», а так же поделиться с полученными знаниями с окружающими меня людьми.

 

1.3.Задачи:

1) Выяснить, что такое «чёрная дыра».

2) Изучить формирование «чёрных дыр».

3) Изучить их внешнее строение.

4) Выяснить, какое влияние на Землю оказывают «чёрные дыры».

 

 

 

 

 

1.4.Методы исследования: 

   Изучение научной литературы по проблеме (Интернет-ресурсы), исторический анализ проблемы.

 

Необходимо уметь: 

   Пользоваться ресурсами сети Интернет, уметь видеть физику проблемы, пользоваться индуктивными и дедуктивными методами анализа.

 

1.6.Гипотеза:  

   Если человечество будет больше знать о «чёрных дырах», то появиться возможность в будущем использовать их энергию.

 

2.Основная часть

 

2.1.Из истории представлений о «чёрных дырах» …

   Английский геофизик и астроном Джон Митчелл (1724–1793) предположил, что в природе могут существовать столь массивные звёзды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, Митчелл рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более 3 км, то даже частицы света (которые он, вслед за Ньютоном, считал корпускулами) не могли бы улететь далеко от такой звезды. Поэтому такая звезда казалась бы издалека абсолютно тёмной. Эту идею Митчелл представил на заседании Лондонского Королевского общества 27 ноября 1783. Так родилась концепция «ньютоновской» чёрной дыры.

   Такую же идею высказал в своей книге Система мира (1796) французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Простой расчёт позволил ему написать: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз большим диаметра Солнца, не даёт ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную.

   А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звёзд не очень сильно отличаются от солнечной, идея Митчелла и Лапласа о «чёрных дырах» была забыта.

   Во второй раз учёные «столкнулись» с «чёрными дырами» в 1916, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений только что созданной тогда Альбертом Эйнштейном релятивистской теории гравитации – общей теории относительности (ОТО). Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особенностью на расстоянии r_g от неё; именно поэтому величину r_g часто называют «шварцшильдовским радиусом», а соответствующую поверхность (горизонт событий) – шварцшильдовской поверхностью.

   В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования «чёрные дыры» ещё не рассматривались.

   Правда, в 1930-е, после создания квантовой механики и открытия нейтрона, физики исследовали возможность формирования компактных объектов (белых карликов и нейтронных звёзд), как продуктов эволюции нормальных звёзд. Оценки показали, что после истощения в недрах звезды ядерного топлива, её ядро может сжаться, превратиться в маленький и очень плотный белый карлик или же в ещё более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду.

   В 1934 работавшие в США европейские астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде выдвинули гипотезу – вспышки сверхновых представляют собой совершенно особый тип звёздных взрывов, вызванных катастрофическим сжатием ядра звезды. Так впервые родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезды. Бааде и Цвикки высказали предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчёты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. Но если масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не сможет остановить её катастрофического коллапса.

   В 1939 американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер обосновали вывод, что ядро массивной звезды должно безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого (если он не вращается) описываются решением Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце её эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь «чёрной дырой». Но поскольку такой объект (как говорили тогда, «коллапсар», или «застывшая звезда») не излучает электромагнитные волны, то астрономы понимали, что обнаружить его в космосе будет невероятно трудно и поэтому долго не приступали к поиску.

   Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть «чёрной дыры» причинно не связана с остальной Вселенной, происходящие внутри «чёрной дыры» физические процессы не могут влиять на процессы вне её. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на «чёрную дыру», свободно проникают внутрь через горизонт. Можно сказать, что «чёрная дыра» всё поглощает и ничего не выпускает. По этой причине и родился термин «Чёрная дыра», предложенный в 1967 американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером.

 

2.2.Гравитационный коллапс.

   Гравитационный коллапс — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звёзд с массой свыше трёх солнечных масс. После исчерпания в таких звёздах материала для термоядерных реакций они теряют свою механическую устойчивость и начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Если растущее внутреннее давление останавливает гравитационное сжатие, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой, что может сопровождаться сбросом оболочки и наблюдаться как вспышка сверхновой звезды. Однако если масса звезды превысит предел Оппенгеймера — Волкова, то коллапс продолжается до её превращения в «чёрную дыру».