Черные дыры во вселенной

Содержание

1. Ведение………………………………………………………………………….3
2. Чёрные дыры во Вселенной…………………………………………………….4
3. Заключение……………………………………………………………………..18
4. Список использованной литературы………………………………………….19

Ведение

В последнее время внимание астрономов привлекло одно из самых  странных в мире открытий. В соответствии с общей теорией относительности  в космосе должны существовать объекты, которые обладают столь сильными гравитационными полями, что планеты, звезды, астероиды и другие любые  тела, затянутые в них, просто разрушаются. Еще более странно то, что, попав  в такое поле, никто и ничто  не может оттуда выбраться и перестает  существовать в нашей Вселенной. Такие объекты называют черными  дырами.

Черные дыры должны играть значительную роль во Вселенной. Так, по предварительным подсчетам, только в нашей Галактике насчитывается  около миллиарда черных дыр. Предполагают, что в центрах шаровых скоплений  звезд, а также в центре Галактики  находятся черные дыры. Есть гипотезы, согласно которым необычно высокое  излучение квазаров и так называемый парадокс масс объясняются влиянием черных дыр. И вообще астрофизики  все чаще начинают объяснять различные  загадочные космические явления  действием черных дыр.

поглощают буквально всё, что попадётся на их пути. Физики давно мучаются над разгадкой  Чёрных дыр, потому что они нарушают все правила, известно так же, что  они управляют всей эволюцией  Вселенной. Чёрные дыры самые невероятные  объекты нашей Вселенной, они  обладают абсолютной гравитацией. Ничто  не ускользнёт от них, они могут поглощать  целые Галактики. Раньше Чёрные дыры считались фантастикой, никто не верил в них. И хотя мы никогда  не приближались к ним, у нас есть научные доказательства их существования. Чёрная дыра это конечная точка всего - конец звезды, планеты, гравитации. В то же время чёрные дыры помогают создавать Галактики. Некоторые астрономы считают, что они могут быть воротами в параллельные Вселенные. В наш 21-ый век мы особенно тщательно изучаем физику Чёрных дыр, ведь они могут помочь в изучении зарождения Вселенной.

Чёрные дыры во Вселенной

Термин "черная дыра" появился совсем недавно. Его ввел в обиход в 1969 г. американский ученый Джон Уилер как метафорическое выражение представления, возникшего, по крайней мере, 200 лет назад, когда существовали две теории света: в первой, которой придерживался Ньютон, считалось, что свет состоит из частиц; согласно же второй теории, свет - это волны. Сейчас мы знаем, что на самом деле обе они правильны. В силу принципа частично-волнового дуализма квантовой механики свет может рассматриваться и как частицы, и как волны. В теории, в которой свет - волны, было непонятно, как будет действовать на него гравитация. Если же свет - поток частиц, то можно считать, что гравитация действует на них так же, как на пушечные ядра, ракеты и планеты. Сначала ученые думали, что частицы света перемешаются с бесконечной скоростью и поэтому гравитация не может их замедлить, но когда Рёмер установил, что скорость света конечна, стало ясно, что влияние гравитации может оказаться существенным.

Исходя из этого, Джон Мичел, преподаватель из Кембриджа, в 1783 г. в свей научной работе указывал на то, что достаточно массивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет выйти за его пределы: любой луч света, испущенный поверхностью такой звезды, не успев отойти от нее, будет втянут обратно ее гравитационным притяжением. Мичел считал, что таких звезд может быть очень много. Несмотря на то, что их нельзя увидеть, так как их свет не может до нас дойти, мы, тем не менее, должны ощущать их гравитационное притяжение [1, Электронный ресурс]. Подобные объекты называют сейчас черными дырами, и этот термин отражает их суть: темные бездны в космическом пространстве. Через несколько лет после Мичела, французский ученый Лаплас высказал аналогичное предположение.

Вопрос о реальном существовании  чёрных дыр тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой следует их существование. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), уверенно предсказывающая возможность образования чёрных дыр. Именно на ней и основывается современная теория астрофизических чёрных дыр.

Чтобы понять, как возникает  черная дыра, надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезды. Звезда образуется, когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься силами собственного гравитационного  притяжения. В процессе сжатия атомы  газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь с все  большими и большими скоростями. В  результате газ разогревается и  в конце концов становится таким  горячим, что атомы водорода, вместо того чтобы отскакивать друг от друга, будут сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый  взрыв водородной бомбы, и вызывает свечение звезды. Из-за дополнительного  тепла давление газа возрастает до тех пор, пока не уравновесит гравитационное притяжение, после чего газ перестает  сжиматься. Это немного напоминает надутый резиновый шарик, в котором  устанавливается равновесие между  давлением воздуха внутри, заставляющим шарик раздуваться, и натяжением резины, под действием которого шарик  сжимается. Подобно шарику, звезды будут  долго оставаться в стабильном состоянии, в котором выделяющимся в ядерных  реакциях теплом уравновешивается гравитационное притяжение. Но в конце концов у звезды кончится водород и другие виды ядерного топлива. Как ни парадоксально, но чем больше начальный запас топлива у звезды, тем быстрее оно истощается, потому что для компенсации гравитационного притяжения звезде надо тем сильнее разогреться, чем больше ее масса. А чем горячее звезда, тем быстрее расходуется ее топливо. Запаса топлива на Солнце хватит примерно на пять тысяч миллионов лет, но более тяжелые звезды израсходуют свое топливо всего за сто миллионов лет, т. е. за время, гораздо меньшее возраста Вселенной. Израсходовав топливо, звезда начинает охлаждаться и сжиматься под действием гравитации.

Чёрные дыры звёздных масс образуются как конечный этап жизни  звезды, после полного выгорания  термоядерного топлива и прекращения  реакции звезда теоретически должна начать остывать, что приведёт к  уменьшению внутреннего давления и  сжатию звезды под действием гравитации. Сжатие может остановиться на определённом этапе, а может перейти в стремительный  гравитационный коллапс. В зависимости  от массы звезды и вращательного  момента возможны следующие конечные состояния [3, Электронный ресурс]:

• Погасшая очень плотная звезда, состоящая в основном, в зависимости от массы, из гелия, углерода, кислорода, неона, магния, кремния или железа (основные элементы перечислены в порядке возрастания массы остатка звезды). Такие остатки называют белыми карликами, масса их ограничивается сверху пределом Чандрасекара (это верхний предел массы холодного невращающегося белого карлика, определяемый условием равенства сил давления вырожденного электронного газа и гравитации).
• Нейтронная звезда, масса которой ограничена пределом Оппенгеймера — Волкова (верхний предел массы нейтронной звезды, при которой давление вырожденного нейтронного газа может компенсировать силы гравитации, не давая звезде коллапсировать в чёрную дыру).
• Чёрная дыра.

Благодаря Оппенгеймеру, мы имеем сейчас следующую картину. Из-за гравитационного поля звезды лучи света в пространстве-времени отклоняются от тех траекторий, по которым они перемещались бы в отсутствие звезды. Световые конусы, вдоль поверхности, которых распространяются испущенные из их вершин световые лучи, около поверхности звезды немного наклоняются внутрь. Это проявляется в наблюдаемом во время солнечного затмения искривлении световых лучей, идущих от удаленных звезд. По мере сжатия звезды увеличивается гравитационное поле на ее поверхности, и световые конусы наклоняются еще сильнее. Поэтому световым лучам, испущенным звездой, становится все труднее выйти за пределы гравитационного поля звезды, и удаленному наблюдателю ее свечение будет казаться тусклым и более красным. В конце концов, когда в ходе сжатия радиус звезды достигнет некоторого критического значения, гравитационное поле у ее поверхности станет очень сильным, и тогда световые конусы настолько повернутся внутрь, что свет не сможет больше выйти наружу.

По теории относительности  ничто не может двигаться быстрее  света; а раз свет не может выйти  наружу, то и никакой другой объект не сможет выйти, т. е. все будет втягиваться  назад гравитационным полем. Это  значит, что существует некое множество  событий, т. е. некая область пространства-времени, из которой невозможно выйти наружу и достичь удаленного наблюдателя. Такая область называется сейчас черной дырой.

Итак мы выяснили, что Чёрная дыра — это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света).

Граница этой области называется горизонтом событий. Она совпадает с путями тех световых лучей, которые первыми из всех теряют возможность выйти за пределы черной дыры.

Итак, вблизи черной дыры необычно велики силы тяготения, но это еще  не все. В сильном поле тяготения  меняются геометрические свойства пространства, оно искривляется, и замедляется течение времени. Геометрия, которую мы изучали в школе, является геометрией не искривленного  пространства. В таком пространстве плоскость есть плоскость. Но если это пространство находится вблизи очень массивного космического тела, то эта плоскость может превратиться в сачок.

Обратимся теперь к темпу  течения времени. Чем ближе к  горизонту событий, тем медленнее  течет время с точки зрения внешнего наблюдателя. На границе черной дыры его бег и вовсе замирает.

Мы не имеем никаких  наблюдательных данных о внутренней структуре черных дыр, так как  никакое сообщение изнутри поступить  к нам не может. Мы не знаем, что  произойдет с телом, после того как  оно пересечет горизонт событий, кроме того, что тело будет продолжать падать и падать. Как и всякое массивное тело, черная дыра отклоняет  световые лучи, проходящие вблизи нее. Но, обладая очень сильным гравитационным полем, черная дыра и лучи отклоняет  чрезвычайно сильно. Поэтому, если близко от нас на луче зрения оказалась  бы черная дыра, то вся открывающаяся  перед нами картина исказилась бы. Все «стандартные» уравнения  современной физики, перестают действовать  вблизи центра черной дыры, под горизонтом событий.

Общая теория относительности  предсказывает, что при движении тяжелых объектов должны излучаться гравитационные волны, которые представляют собой пульсации кривизны пространства, распространяющиеся со скоростью света. Излучаемые при любом движении гравитационные волны будут уносить энергию  системы. (Это напоминает поведение брошенного в воду поплавка, который сначала то уходит под воду, то выныривает на поверхность, но, поскольку волны уносят его энергию, в конце концов, застывает в неподвижном стационарном состоянии).

Когда во время гравитационного  коллапса звезды образуется черная дыра, все движения звезды должны сильно ускориться, и поэтому потери энергии  тоже должны сильно возрасти. Следовательно, коллапсирующая звезда должна вскоре оказаться в некоем стационарном состоянии.

В 1967 г. канадский ученый Вернер Израэль произвел революцию в науке о черных дырах. Израэль показал, что, согласно общей теории относительности, невращающиеся черные дыры должны иметь очень простые свойства [4, 5, Электронный ресурс]: они должны быть правильной сферической формы, размеры черной дыры должны зависеть только от ее массы, а две черные дыры с одинаковыми массами должны быть идентичны друг другу. Фактически получалось, что черные дыры можно описать частным решением уравнений Эйнштейна, известным еще с 1917 г. и найденным Карлом Шварцшильдом вскоре после опубликования общей теории относительности. Сначала многие, в том числе и сам Израэль, считали, что, поскольку черные дыры должны быть совершенно круглыми, они могут образовываться только в результате коллапса совершенно круглого объекта. Таким образом, любая реальная звезда - а реальные звезды не бывают идеально сферической формы - может сколлапсировать, порождая только голую сингулярность.

Правда, была возможна и другая интерпретация полученного Израэлем результата, которую, в частности, поддерживали Роджер Пенроуз и Джон Уилер. Быстрые движения, возникающие во время коллапса звезды, означают, указывали эти ученые, что излучаемые звездой гравитационные волны могут еще сильнее скруглить ее, и к тому моменту, когда звезда окажется в стационарном состоянии, она будет в точности сферической формы. При таком взгляде на вещи любая невращающаяся звезда, как бы ни была сложна ее форма и внутренняя структура, после гравитационного коллапса должна превратиться в черную дыру правильной сферической формы, размеры которой будут зависеть только от ее массы. В дальнейшем такой вывод был подтвержден расчетами и вскоре стал общепринятым.

Результат Израэля касался только черных дыр, образовавшихся из невращающихся объектов. В 1963 г. Рой Керр из Новой Зеландии нашел семейство решений уравнений общей теории относительности, которые описывали вращающиеся черные дыры. Керровские черные дыры вращаются с постоянной скоростью, а их форма и размер зависят только от массы и скорости вращения. Если вращение отсутствует, то черная дыра имеет идеальную шарообразную форму, а отвечающее ей решение идентично Шварцшильдовскому решению. Если же черная дыра вращается, то ее диаметр увеличивается по экватору (точно так же, как деформируются вследствие вращения Земля и Солнце), и тем сильнее, чем быстрее вращение. Чтобы можно было перенести результат Израэля и на вращающиеся тела, было сделано предположение, что любое вращающееся тело, которое в результате коллапса образует черную дыру, должно в конце концов оказаться в стационарном состоянии, описываемом решением Керра.