Использование дистанционных методов в исследовании черных дыр

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО ВГУ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

по дисциплине:

«Дистанционные  методы контроля окружающей среды»

Тема: Использование дистанционных методов в исследовании черных дыр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 7 гр. Новиков  А.В.  

Проверил: Малюченко В.Д.                                                                                                                                                                                      

                                                                                                                                                                                         

 

 

                                                                          

 

 

 

Воронеж 2013

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Из всех творений человеческого  разума: от мифологических единорогов и драконов до водородной бомбы, пожалуй, наиболее фантастическое – это черная дыра; дыра в пространстве с вполне конкретными краями, в которую может провалиться все что угодно и из которой ничто не в силах выбраться. Дыра, в которой гравитационная сила столь велика, что даже свет захватывается и удерживается в этой ловушке. Дыра, которая искривляет пространство и искажает течение времени. Подобно единорогам и драконам, черные дыры кажутся, скорее, атрибутами научной фантастики или древних мифов, чем реальными объектами. Однако из физических законов с неизбежностью следует существование черных дыр. В одной нашей Галактике их, возможно, миллионы.

Столь необычные свойства черных дыр многим кажутся просто фантастическими, поэтому существование  черных дыр в природе часто ставится под сомнение, но существуют ли чёрные дыры на самом деле?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1  Возникновение понятия черных дыр

 

В 1783 году английский геофизик и астроном Джон Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Чуть позже, в 1795 году, Пьер Симон Лаплас сделал предсказание: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца не дает ни одному лучу достичь нас из-за своего тяготения, поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Само название «черная дыра» появилось в 1968 году. Его в популярной статье ввел Уиллер, и оно мгновенно прижилось, заменив собой использовавшиеся до того термины «коллапсар» или «застывшая звезда».

Черной дырой называется область пространства-времени, в  которой гравитационное поле столь сильно, что ни один объект (даже свет) не может вырваться из нее. Из области пространства-времени черной дыры невозможно никакое сообщение с внешней по отношению к ней Вселенной. У черной дыры нет поверхности как таковой, но есть граница, которая называется горизонтом событий.

Само название — черные дыры — говорит о том, что это  класс объектов, которые нельзя увидеть. Их гравитационное поле настолько сильно, что если бы каким-то путем удалось  оказаться вблизи черной дыры и направить в сторону от ее 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 черной дыры и покинуть ее поверхность. Именно поэтому такая поверхность называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу черной дыры.

Сущность гипотезы образования  черных дыр заключается в следующем: если некоторая масса вещества оказывается  в сравнительно небольшом объеме, критическом для нее, то под действием  сил собственного тяготения такое  вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа -- гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация вещества. Наконец, наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо развить скорость, превосходящую скорость света. Такие скорости практически недостижимы, и из замкнутого пространства черной дыры не могут вырваться ни лучи света, ни частицы материи. Излучение черной дыры оказывается "запертым" гравитацией. Черные дыры способны только поглощать излучение

Теоретически возможность  существования таких областей пространства-времени  следует из некоторых точных решений  уравнений Эйнштейна. 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. Поэтому наблюдательные данные анализируются и интерпретируются, прежде всего, в контексте ОТО, хотя эта теория и не является экспериментально подтверждённой для условий, соответствующих области пространства-времени в непосредственной близости от чёрных дыр звёздных масс (однако хорошо подтверждена в условиях, соответствующих сверхмассивным чёрным дырам).

 

2  Образование и роль черных дыр в формировании галактик

 

Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося после взрыва, всё ещё превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в крошечное плотное тело, так как гравитационные силы подавляют внутреннее сопротивление сжатию. Учёные считают, что в этот момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению чёрной дыры, и с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Для массивной звезды остаётся один неизбежный путь полного сжатия (коллапса), превращающего её в невидимую чёрную дыру.

Астрономы пришли к заключению, что черные дыры не рождаются огромными, а постепенно растут за счет газа и  звезд галактик. Данные показывают, что гигантские черные дыры не предшествовали рождению галактик, а эволюционировали вместе с ними, поглощая определенный процент массы звезд и газа центральной области галактики. Это означает, что в меньших галактиках черные дыры менее массивны, их массы составляют не многим более нескольких миллионов солнечных масс. Черные дыры в центрах гигантских галактик, включают в себя миллиарды солнечных масс. Все дело в том, что окончательная масса черной дыры формируется в процессе формирования галактики. В некоторых случаях черные дыры увеличиваются не только за счет поглощения газа отдельной галактики, но и путем слияния галактик, в результате чего их черные дыры объединяются.

 

3  Черные и белые дыры

 

Ученые говорят о  том, что, кроме черных, есть и белые  дыры. Они постоянно выбрасывают  материю и энергию. И хотя белых  дыр никто не видел, то, что они  существуют, доказано математически. Астрофизики из Калифорнийского университета недавно вычислили их, решая с помощью суперкомпьютера уравнения теории относительности Эйнштейна. "Белых дыр столько же, сколько черных, - убежден американский космолог Блэйк Темпл. - Это космические вулканы, которые выбрасывают поглощенную черными дырами материю, порождая новые вселенные". При этом в точке разрыва между двумя вселенными может существовать своего рода туннель: черная дыра со стороны нашей вселенной и белая со стороны другой. Астрофизики полагают, что вся материя, которая исчезает в черной дыре, в неизмененном виде выталкивается наружу белой.

 

4  Интересные особенности черных дыр

 

Астрономы получили наблюдательные подтверждения того, что некоторые  чёрные дыры вращаются вокруг своей оси, подобно водоворотам. Tod Strohmayer (NASA's Goddard Space Flight Center) исследовал одну из двойных систем с чёрной дырой с помощью орбитального телескопа Rossi X-ray Timing Explorer и нашёл необычные детали в рентгеновском излучении этой системы, которые раньше были видны только у вращающихся нейтронных звёзд. Некоторые черные дыры считаются более активными, чем их спокойные соседи. Активные черные дыры поглощают окружающее вещество, а если в полет тяготения попадет «зазевавшаяся» звезда, пролетающая мимо, то она непременно будет «съедена» самым варварским способом (разорванная в клочья). Поглощаемое вещество, падая на черную дыру, нагревается до огромных температур, и испытывает вспышку в гамма, рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне. В центре Млечного Пути так же находится сверхмассивная черная дыра, но ее труднее изучать, чем дыры в соседних или даже далеких галактиках. Это связано с плотной стеной газа и пыли, встающей на пути центру Нашей Галактики, ведь Солнечная система находится почти на краю галактического диска. Поэтому наблюдения активности черных дыр гораздо эффективней у тех галактик, ядро которых хорошо просматривается. При наблюдении одной из далеких галактик, расположенной в созвездии Волопаса на расстоянии 4-х миллиардов световых лет, астрономам впервые удалось отследить от начала и почти до конца процесс поглощения звезды супермассивной черной дырой. В течение тысяч лет этот гигантский коллапсар тихо-мирно покоился в центре безымянной эллиптической галактики, пока одна из звезд не осмелилась приблизиться к ней достаточно близко.

 Мощная гравитация  черной дыры разорвала звезду  на части. Сгустки вещества  начали падать на черную дыру  и при достижении горизонта  событий, ярко вспыхивать в  ультрафиолетовом диапазоне. Эти вспышки и зафиксировал новый космический телескоп NASA Galaxy Evolution Explorer, изучающий небо в ультрафиолете. Телескоп и сегодня продолжает наблюдать за поведением отличившегося объекта, т.к. трапеза черной дыры еще не закончилась, а остатки звезды продолжают падать в бездну времени и пространства. Наблюдения таких процессов, в конце концов, помогут лучше понять, как черные дыры развиваются вместе с их родительскими галактиками (или, наоборот, галактики развиваются с родительской черной дырой). Более ранние наблюдения показывают, что подобные эксцессы не редкость во Вселенной. Ученые подсчитали, что в среднем звезда поглощается сверхмассивной черной дырой типичной галактики один раз в 10000 лет, но поскольку галактик большое количество, то наблюдать поглощения звезд можно гораздо чаще.

 

5  Исследование черных дыр

 

Российскими учеными предложен метод, основанный на детектировании электромагнитного излучения в широкой полосе спектра, которое должно возникнуть при падении вещества на черную дыру. Как подчеркивают эти исследователи, излучение испускается не отдельными частицами, а целым газовым облаком, когда оно сжимается и нагревается до 100 млрд. К, закручиваясь в воронку вокруг черной дыры. Этот эффект обусловлен активностью в областях, лежащих несколько выше гравитационного радиуса, и, следовательно, излучение этих областей может покидать черную Дыру.

Разрабатываются и другие способы обнаружения черных дыр. Так, Кип С. Торн отмечает, что невидимые  спутники некоторых звезд могут  быть обнаружены по движению этих звезд. Данный метод используется для обнаружения  невидимых больших планет, которые, как считают, обращаются по орбитам вокруг ближайших звезд. Было найдено, что спектральные линии в спектрах ряда звезд периодически смещаются из-за движения взад-вперед по лучу зрения оптической звезды, обращающейся вокруг центра тяжести двойной звездной системы. Среди 800 звезд, у которых обнаружены подобные смещения спектральных линий, нашлось около десятка, смещение линий которых указывает на существование более массивной невидимой звезды; массы невидимых компонентов составляют 1,4—25 масс Солнца. Невидимые компоненты с такими массами, очевидно, должны быть либо нейтронными звездами, либо черными дырами (массы нейтронных звезд при этом не превышают трех масс Солнца). Если они являются нейтронными звездами, мы должны обнаружить испускаемое ими рентгеновское излучение. Если же это черные дыры, мы можем обнаружить их только по каким-либо вторичным эффектам.

Изучая фундаментальные  свойства материи и пространства-времени, физики считают исследование черных дыр одним из важнейших направлений, поскольку вблизи черных дыр проявляются скрытые свойства гравитации. Для поведения вещества и излучения в слабых гравитационных полях различные теории тяготения дают почти неразличимые прогнозы, однако в сильных полях, характерных для черных дыр, предсказания различных теорий существенно расходятся, что дает ключ к выявлению лучшей среди них. В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации – ОТО Эйнштейна – свойства черных дыр изучены весьма подробно. Вот некоторые важнейшие из них:

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, 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 туда вместе с фонарем, то он за короткое время пересек бы поверхность Шварцшильда и упал к центру черной дыры, будучи при этом разорван ее мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра.

2) Каким бы сложным ни было исходное тело, после его сжатия в черную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: полную массу, момент импульса (связанный с вращением) и электрический заряд. Все остальные особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав и т.д.)в ходе коллапса «стираются». То, что для стороннего наблюдателя структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой, Джон Уилер выразил шутливым утверждением: «Черная дыра не имеет волос».

 В процессе коллапса  звезды в черную дыру за малую долю секунды (по часам удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные с исходной неоднородностью, 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, была ли она вытянутой или сплюснутой 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.