Черные дыры в структуре Вселенной

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агентство  по образованию

Филиал Уральского государственного экономического университета

г. Березники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине «Концепция современного естествознания»

 

Тема: «Черные дыры в структуре Вселенной»»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнена:

студенткой группы ЭКФЗ-061     Балиной А. Ю.

 

Проверена:

ст. преподавателем        Арашиным С. Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Березники

2006

 

Содержание

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2. Основная часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Образование черных дыр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Черные дыры сливаются . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  7

Поиск черных дыр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  8

Новейшие данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11

4. Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Одними из самых загадочных объектов во вселенной являются черные дыры. Я не случайно выбрала эту тему. Черные дыры являются одновременно очень простыми и очень сложными в понимании. Черная дыра является порождением тяготения. Их тяжело изучать, т.к. они в данный момент времени недосягаемы для нас, но по расчетам математиков о них можно судить. Даже изучение этих объектов на расстоянии давалось с трудом. Ведь свет не может покинуть горизонт событий черной дыры, поэтому об их существовании можно было судить только по мощному воздействию на окружающую материю. Поэтому в видимом спектре излучения такие объекты обнаружить нельзя. Это были сложности черных дыр. К простым чертам этих объектов можно отнести то, что они не имеют химического состава и описываются только математическими законами гравитации Эйнштейна. Удивительно, но такие экзотические объекты устроены даже проще чем звезды. Поверхности, в нашем понимании, у нее нет. Характеризуются эти объекты в первую очередь массой, во вторую – моментом количества движения, в третью – электрическим зарядом. Сам термин «черная дыра» был введен в науку Джоном Уилером в 1968г для обозначения сколлапсировавшейся (быстрое сжатие) звезды. Еще Пьер Симон Лаплас в свое время уже догадывался о возможности существования таких объектов. Он писал: «Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми». Основываясь только на законе тяготения Ньютона, Лаплас приходит к открытию того, что тела с огромной массой и повышенной плотностью не позволят излучению покидать их поверхность. Это было предвидением черных дыр. Однако реальные характеристики черных дыр отличны от лапласовских, так как они определяются теорией относительности Эйнштейна, уточняющей теорию Ньютона.

 

Образование черных дыр

Если астроном будет  наблюдать звезду в момент ее превращения  в черную дыру, то сначала он увидит, как звезда все быстрее и быстрее сжимается, но по мере приближения ее поверхности к гравитационному радиусу сжатие начнет замедляться, пока не остановится совсем. При этом приходящий от звезды свет будет слабеть и краснеть, пока не потухнет совсем. Это происходит потому, что в борьбе с гигантской силой тяжести свет теряет энергию и ему требуется все больше времени, чтобы достичь наблюдателя. Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему ее свету потребуется бесконечное время, чтобы достичь наблюдателя (и при этом фотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, астроном никогда не дождется этого момента и тем более не увидит того, что происходит со звездой под горизонтом событий. Но теоретически этот процесс исследовать можно.

Современная теория звездной эволюции и наши знания о звездном населении  Галактики указывают, что среди 100 млрд. ее звезд должно быть порядка 100 млн. черных дыр, образовавшихся при  коллапсе самых массивных звезд. К тому же черные дыры очень большой  массы могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе и нашей.  

С помощью космического спектрографа Хаббла удалось запечатлеть «автограф» сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре галактики М84. Несмотря на то, что гравитация не позволяет свету покинуть окрестность черной дыры, ее присутствие можно обнаружить по падающему по спирали с огромным ускорением на поверхность черной дыры межзвездному веществу, скорость которого (определенная по эффекту Доплера), составляет примерно 380 км/с на расстоянии 26 световых лет от центра М84.

В нашу эпоху черной дырой может стать лишь масса, более чем втрое превышающая солнечную. Однако сразу после Большого взрыва, с которого 15 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, могли рождаться черные дыры любой массы. Самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. Но «первичные черные дыры» с массой более 10¹⁵ г могли сохраниться до наших дней.

Для стороннего наблюдателя  структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой. В процессе коллапса звезды в черную дыру за малую долю секунды (по часам удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные с неоднородностью исходной звезды, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Образовавшаяся стационарная черная дыра «забывает» всю информацию об исходной звезде, кроме трех величин: полной массы, момента импульса (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая черную дыру, уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, имела ли она форму сигары или блина и т.п. В реальных астрофизических условиях заряженная черная дыра будет притягивать к себе из межзвездной среды частицы противоположного знака, и ее заряд быстро станет нулевым. Оставшийся стационарный объект либо будет невращающейся «шварцшильдовой черной дырой», которая характеризуется только массой, либо вращающейся «керровской черной дырой», которая характеризуется массой и моментом импульса. Единственность указанных выше типов стационарных черных дыр была доказана в рамках общей теории относительности В. Израэлем, Б. Картером, С. Хокингом и Д. Робинсоном.

Черная дыра всегда готова поглотить  вещество или излучение, увеличив этим свою массу. Ее взаимодействие с окружающим миром определяется простым принципом Хокинга: площадь горизонта событий черной дыры никогда не уменьшается, если не учитывать квантового рождения частиц.

 

 

 

Черные дыры сливаются

Ученые открыли, что в одной  галактике вполне могут сосуществовать две сверхмассивные черные дыры, которые в конечном итоге обязательно сольются в одну. Это событие будет сопровождаться такими выбросами энергии, что звезды будут вытеснены из центра галактики, где будет бушевать радиоактивное и гравитационное цунами.  
Ученые давно знали, что в галактике NGC 6240 существует два ярких пятна, что зовутся ядрами. Поскольку центр галактики закрыт от обзора пылью, ученые направили в ту сторону телескоп Чандра, в надежде определить, является ли любое из этих ядер активной сверхмассивной черной дырой. Каково же было их удивление, когда они поняли, что оба объекта являются активными черными дырами.  
 

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

 

 Эта галактика находится от нас  на расстоянии около 400 световых лет - довольно близко по космическим масштабам и образовалась она в результате столкновения двух галактик, которое началось 30 миллионов лет назад. Астрономы считают, что слияние галактик на самом деле происходит очень мирно. Поскольку звезды расположены очень редко, они почти не "ощущают" происходящего. Сейчас пока центры сталкивающихся галактик только слегка гравитационно взаимодействуют. Но постепенно расстояние, равное сейчас 3 тысячам световых лет, будет уменьшаться. И тогда они неизбежно начнут взаимодействовать. Звезды, что вращаются вокруг центров, ускорят свое движение и вылетят из центра галактики. Когда черные дыры приблизятся на расстояние около одного светового года, они начнут сливаться. Тогда газ, вращающийся вокруг черных дыр разогреется до таких температур, что начнет излучать радиоактивные волны. В конце концов поле радиоактивности уничтожит все объекты, находящиеся вокруг ядер, что даст возможность обозревать ядро. Ни одна звезда не уцелеет в поле влияния более массивной черной дыры после того, как они сольются.

Поиск черных дыр.

Расчеты в рамках общей  теории относительности Эйнштейна  указывают лишь на возможность существования черных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире; открытие настоящей черной дыры стало бы важным шагом в развитии физики. Поиск изолированных черных дыр в космосе безнадежно труден: мы не сможем заметить маленький темный объект на фоне космической черноты. Но есть надежда обнаружить черную дыру по ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по ее характерному влиянию на них.

Сверхмассивные черные дыры могут  находиться в центрах галактик, непрерывно пожирая там звезды. Сконцентрировавшись  вокруг черной дыры, звезды должны образовать центральные пики яркости в ядрах галактик; их поиски сейчас активно ведутся. Другой метод поиска состоит в измерении скорости движения звезд и газа вокруг центрального объекта в галактике. Если известно их расстояние от центрального объекта, то можно вычислить его массу и среднюю плотность. Если она существенно превосходит плотность, возможную для звездных скоплений, то полагают, что это черная дыра. Этим способом в 1996 Дж. Моран с коллегами определили, что в центре галактики NGC 4258, вероятно, находится черная дыра с массой 40 млн. солнечных.

Наиболее перспективным  является поиск черной дыры в двойных  системах, где она в паре с нормальной звездой может обращаться вокруг общего центра масс. По периодическому доплеровскому смещению линий в  спектре звезды можно понять, что  она обращается в паре с неким телом и даже оценить массу последнего. Если эта масса превышает 3 массы Солнца, а заметить излучение самого тела не удается, то очень возможно, что это черная дыра.

С 1970-х годов обнаружено несколько рентгеновских источников в двойных системах с явными признаками присутствия черных дыр. Самой перспективной считается рентгеновская двойная V 404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее чем в 6 масс Солнца. Другие замечательные кандидаты в черные дыры находятся в двойных рентгеновских системах Лебедь X-1, LMCX-3, V 616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. За исключением LMCX-3, расположенной в Большом Магеллановом Облаке, все они находятся в нашей Галактике на расстояниях порядка 8000 св. лет от Земли.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новейшие  данные

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

Черная дыра была обнаружена благодаря тому, что “пожирала” вещество соседки – более малой  звезды.

Открытие было сделано  в результате наблюдений радиотелескопов  Национального Научного общества (VLBA), объединенных в систему радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой вместе со спутниками приема рентгеновского излучения Rossi.

Доказательством подтверждения  открытия послужили оптические снимки, сделанные на Паломарской Обсерватории (POSS). Это впервые, когда орбитальное движение черной дыры было измерено.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Черные дыры слишком  далеки от нас, поэтому мы не можем  со 100% точностью говорить об их свойствах  и наблюдаемых возле них эффектах. Теория относительности позволяет предсказать некоторые свойства этих удивительных объектов связанные с пространством-временем, а насколько верны эти предположения нам еще предстоит узнать в будущем.

 

Итак, что мы знаем  о них:

1) Они обладают тремя  важными характеристиками: масса, заряд, вращательный импульс.

2) Обнаруживаются тремя  способами:

а) По рентгеновскому излучению падающего  вещества.

б) По воздействию на окружающие объекты.

в) По сильному гравитационному  излучению.

3) Не являются вечными.

4) Могут являться источниками энергии (Суперрадиация).

5) Имеют главную роль  в активных галактических ядрах.

6) Осуществляют движение  газа в галактических кластерах.

7) Сверхмассивные черные  дыры образуют вокруг себя  галактики и более крупные  скопления материи.

Существует еще множество различных теорий по поводу поведения черных дыр в тех или иных условиях. Пока еще гравитационное оборудование не принесло революцию в астрономический мир, над черными дырами трудятся сотни теоретиков и математиков. Например, была разработана теория, согласно которой в случае ассиметричного коллапса звезды, ассимметричность уберется за счет излучения гравитационных волн. Также были разработаны теории о переходе в будующее и в прошлое, через “кротовую нору”, только для этого все равно телу пришлось бы пройти через сингулярность, что означало бы разрушение материи. Теория гравитации Эйнштейна не учитывает результатов другой великой физической теории XX века - квантовой механики. Не исключено, что вблизи центра черной дыры законы общей теории относительности уступают место законам объединенной теории - квантовой гравитации или попросту “Теории Всего”. И черная дыра - не символ отчаяния и невозвратимости, а объект, раскрытие тайн которого будет означать крупный, может быть, даже решающий шаг к полному постижению сути пространства и времени.  
Список литературы

1. Быковский О.А. “Гравитационный  парадокс и его решение”, 2000 г.

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

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

4. Торн К.С. “Путешествие среди чёрных дыр”, 2002 г.

5. Черепащук А.М. Массивные  тесные двойные системы. Земля и Вселенная. 1985.

6. Черепащук А.М. Черные дыры: новые данные. 1992 г.

7. Энциклопедия Аванта + “Астрономия”, 2001 г.