Черные дыры

План:

1. Введение
2. Что такое черная дыра
3. Образование черных дыр
4. Как обнаруживали черные дыры
5. Свойства черных дыр
6. Типы черных дыр
7. Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Черные  дыры – объекты совершенно фантастические по своим свойствам. « Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и  химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое – это образ  черной дыры, отделенной от остального пространства определенной границей, которую ничто не может пересечь; дыры, обладающей настолько сильным  гравитационным полем, что даже свет задерживается его мертвой хваткой; дыры, искривляющей пространство и  тормозящей время. Подобно единорогам и химерам, черная дыра кажется более  уместной в фантастических романах  или в мифах древности, чем  в реальной Вселенной. И, тем не менее, законы современной физики фактически требуют, чтобы черные дыры существовали. Возможно, только  наша Галактика  содержит их» - так сказал о черных дырах американский физик К. Торн.

В этом явлении, казалось, содержится столько необъяснимого, почти мистического, что даже Альберт Эйнштейн, чьи теории, по сути дела, породили представление о черных дырах, сам просто не верил в их существование. Сегодня астрофизики все больше убеждаются, что черные дыры - это реальность.

Само  название “черная дыра” появилось  гораздо позже — в конце 60-х  годов. Придумал его американский физик  Д. Уилер. До этого они известны были под разными именами. Например, у  нас их называли “коллапсарами”, однако выяснилось, что это слово звучит не очень благозвучно по-английски. Впрочем, с названием “черная  дыра”, несмотря на его точность и  образность, тоже бывали казусы.

К этому  следует добавить, что внутри черной 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 черной дыры, за краем этой своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы.

 

Что такое черная дыра

Чёрная  дыра - область в пространстве, возникшая  в результате полного гравитационного  коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана  с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне  ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность  называют «горизонтом событий».

История  предсказания  существования  черных  дыр начинается с понимания того, что свет может притягиваться  массивными телами. Это предполагал  еще И. Ньютон. Но первым ученым, который  заговорил о возможности существования  невидимых звезд был знаменитый французский математик и астроном П. Лаплас. В своей книге «Изложение систем мира», вышедшей в 1795 г., он писал: «Светящая 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».

Однако предсказанные  Лапласом звезды нельзя считать черными  дырами в полной мере. На это есть две причины. Во-первых, лапласовская звезда просто не излучает свет, а черная дыра вообще не может «общаться» с  внешним миром. Действительно, ведь Лаплас не мог знать специальной  теории относительности, согласно которой  ни одно материальное тело не может  иметь скорость большую, чем скорость света в вакууме. Поэтому, раз  из черной дыры не может «выбраться»  даже свет, то, значит, из нее вообще ничего не может выйти. Во-вторых, в  своих рассуждениях ученый опирался на теорию тяготения Ньютона, которая  неверна для столь огромного  гравитационного поля, каким  должна  обладать  черная  дыра.  Здесь  необходимо  применять общую теорию относительности (ОТО).

Покажем, к  каким ошибкам ведет применение классической теории гравитации вместо ОТО.

По теории Ньютона сила притяжения, действующая  на тело массой m на поверхности сферической  планеты радиусом R и массой М  равна 

 

                                                     F=G               (1.1)

где G = 6,6710  м /кгс  — гравитационная постоянная. По ОТО сила тяготения будет немного  больше, чем вычисленная по (1.1). Будем  теперь уменьшать радиус планеты, сохраняя при этом ее массу. По классической теории, при сжатии вдвое сила увеличится вчетверо, по ОТО, сила будет возрастать быстрее. Ньютоновская теория дает бесконечную  силу при R   0, по Эйнштейну, сила стремится к бесконечности, когда радиус планеты стремится к гравитационному радиусу, который определяется массой тела: чем меньше масса, тем меньше гравитационный  радиус.  Для Земли он  равен 1  сантиметру,  а для Солнца — 3 километрам.

Справедливости  ради надо отметить, что П. Лаплас был  не единственным ученым и формально  даже не самым первым, кто сделал подобное предсказание. Сравнительно недавно выяснилось, что в 1783 году с аналогичным утверждением выступал английский священник и геолог, один из основателей научной сейсмологии, Дж. Мичелл. Его аргументация была очень  похожа на аргументацию П. Лапласа.

В декабре 1915 г. немецкий астроном К. Шварцшильд получил  точные  решения  уравнений  Эйнштейна  для  гравитационного  поля сферически симметричного тела. Из решения следовало, что свет не может покинуть тело, если его радиус не превышает соответствующий  гравитационный  радиус,  для  которого  ученым  было  получено  следующее выражение:

 

 

где М —  масса тела.

Сферу с радиусом, равным гравитационному, называют сферой Шварцшильда.

Таким образом, ОТО предсказывает, что как только радиус космического тела становится равным его гравитационному радиусу, то свет не сможет преодолеть силовое  поле тела, и оно становится невидимым  для внешнего наблюдателя. И здесь  справедливо возникает вопрос, а  какими такими удивительными свойствами должно обладать тело, чтобы сжаться  до таких размеров? Оказывается, на него действуют две силы. Под действием  силы тяготения внешние слои звезды или планеты стремятся к центру. Сжатию препятствует другая сила: в  звездах это внутреннее давление газа, в планетах — сила упругости. В обычных космических объектах эти силы уравновешены. Давление газа в звездах, как известно, зависит  от температуры. Со временем термоядерное  топливо  выгорает,  и  температура,  а  следовательно  и давление, уменьшаются. Сила тяготения превосходит  по величине силу, препятствующую ей, и  звезда сжимается.

При приближении  размеров объекта к сфере Шварцшильда  силы тяготения бесконечно нарастают, что приводит к катастрофическому  его сжатию, называемому гравитационным коллапсом. Описанный процесс релятивистского гравитационного коллапса впервые был строго рассчитан с помощью уравнений общей теории относительности американскими физиками Р. Оппенгеймером и Г. Волковым в 1939 году.

 

Образование черных дыр

Многочисленные  наблюдения за молодыми скоплениями  звезд, показывают, что они содержат огромное количество газопылевых комплексов. Поэтому вероятно, что звезды образуются путем гравитационной конденсации. Облако пыли и газа под действием гравитации сжимается. Вначале этого процесса облако прозрачно для инфракрасного излучения, его температура не меняется, и сжатие происходит ускоренно. Затем, в некоторый момент, изотермическое сжатие сменяется адиабатическим, облако вспыхивает и становится непрозрачным, его температура увеличивается. Так появляется протозвезда.

Освобожденная  гравитационная  энергия  не  может  переносится излучением (так как  протозвезда непрозрачна). Внутри облака появляются вихревые движения, которые  выносят тепло из внутренних более  нагретых слоев во внешние и более  холодные слои (конвективный перенос  энергии). В результате дальнейшего  сжатия температура протозвезды  увеличивается и происходит полная ионизация газа, который уже прозрачен  для излучения. Конвекция сменяется  лучистым переносом. Чем больше масса  первичного облака, тем раньше происходит смена механизмов переноса энергии.

Сжатие  происходит до тех пор, пока температура  протозвезды не достигнет значения порядка 10 млн К, достаточного для  начала термоядерных реакций. Протозвезда  становится звездой. Термоядерные реакции  начинаются с выгорания водорода в гелий —  это  так  называемый  протон-протонный  цикл,  состоящий  из трех  реакций.  При  взаимодействии  двух  протонов  образуется  ядро тяжелого водорода — дейтерия, позитрон и нейтрино:                       

 

 Затем,  при соединении дейтерия с  протоном образуется ядро изотопа  гелия: 

 

Третья, последняя реакция протекает  с участием двух ядер с образованием ядер обычного гелия (альфа-частиц) и двух протонов:

 

В массивных  звездах водород горит быстрее, чем в легких. Так, например, у  звезд с массой, равной 15 солнечным  массам, водород выгорает «всего»  за 10 млн лет. Для звезд не очень  большой массы время выгорания  может достигать 10 – 20 млрд лет.

С выгоранием водорода в звезде увеличивается  содержание гелия, которое накапливается  в ядре. Ядро окружает тонкий слой горящего водорода. Звезда начинает разбухать, и температура внешних слоев  уменьшается. Вещество становится непрозрачным для излучения и лучистый тип  переноса энергии сменяется конвективным.

С увеличением  количества гелия в ядре оно начинает сжиматься, за счет чего температура  его увеличивается. При достижении ее порядка 20 млн К начинается тройной  альфа-процесс, в результате которого образуется углерод. При этом радиус звезды увеличивается (так как расширяются  внешние слои), и она превращается в желтый или красный сверхгигант. По мере выгорания гелия в ядре звезды увеличивается количество углерода, азота и кислорода. Дальнейшие термоядерные реакции, в которых образуется все  более тяжелые элементы вплоть до ядер железа, могут протекать только в достаточно массивных звездах. В звездах с массой, близкой  к солнечной, в конце их эволюции будут протекать реакции с  участием гелия, а ядро станет углеродно-азотистым. В таких звездах сжатие ядра останавливается  квантовыми силами, возникающими между  достаточно тесно упакованы белыми электронами звездной плазмы. Так  звезда становится белым карликом, а со временем, когда полностью  остынет, — черным карликом.

В массивной  звезде железное ядро окружено оболочкой, в которой по мере приближения  к периферии увеличивается количество легких элементов: углерода, кислорода, гелия, а во внешних слоях и  ионизированного водорода. Катастрофическое сжатие приводит к появлению сильной  ударной волны. Повышение температуры  перед фронтом волны приводит к сгоранию легких элементов, и звезда вспыхивает как сверхновая. За счет поглощения излучения ее оболочка выбрасывается  в межзвездное пространство.

Если  масса звезды больше 1,2, но меньше 2 масс Солнца, то катастрофическое сжатие останавливается  квантовыми силами, обусловленными  давлением  нейтронного  газа.  Сгорание  легких  элементов оболочки приводит к взрыву настолько сильному, что часть вещества разбрасывается в окружающее пространство. Такая  звезда называется нейтронной. Звезды с массой более 2 масс Солнца сжимаются  так быстро,  что  не  успевают  сбросить  оболочку.  Давление  вырожденных нейтронов не сможет предотвратить дальнейшее сжатие ядра, начнется гравитационный коллапс, который  неизбежно приводит к образованию  черной дыры.

 

Как обнаруживали черные дыры

Как известно, «черные  дыры» нельзя обнаружить непосредственными  наблюдениями — их существование  устанавливается по тому мощному  влиянию, которое они оказывают  на другие объекты или по мощному  рентгеновскому излучению.

Наблюдения так называемых систем двойных звезд, когда в телескоп видна лишь одна звезда, дают основание  считать, что невидимый партнер - черная дыра. Звезды этой пары расположены  так близко одна к другой, что  невидимая масса "высасывает" вещество видимой звезды и поглощает  его. В некоторых случаях удается  определить время оборота звезды вокруг ее невидимого партнера и расстояние до невидимки, что позволяет рассчитать скрытую от наблюдения массу. Первый кандидат на такую модель - пара, обнаруженная в начале семидесятых годов. Она  находится в созвездии Лебедя  и испускает рентгеновские лучи. Здесь вращаются горячая голубая  звезда и, по всей вероятности, черная дыра с массой, равной 16 массам Солнца. Другая пара (V404) имеет невидимую  массу в 12 солнечных. Еще одна подозреваемая  пара - рентгеновский источник (LMCХ3) в девять солнечных масс находится  в Большом Магеллановом Облаке. Все  эти случаи хорошо объясняются в  рассуждениях Джона Мишелла о "темных звездах". В 1783 году он писал: "Если светящиеся тела вращаются вокруг невидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии  из движения этого вращающегося тела с известной вероятностью сделать  вывод о существовании этого  центрального тела". Два итальянских  астронома, Луиджи Стелла и Марио  Виертри, на основе данных, полученных со спутника RXTE, открыли искривление  пространства около нейтронной звезды, правда, очень слабое. Уже создается  спутник, названный "Gravity Probe В", специально приспособленный для исследования эффектов теории относительности. Его  старт планируется на 2000 год.

Измерения параметров движений в центральной  области нашей Галактики вели с 1992 по 1998 г. сотрудники Института внеземной  физики им. Макса Планка в Гаршинге (Германия) под руководством А. Экарта. Они определяли скорость перемещения 200 звезд с помощью специального спектрометра. Оказалось, что с наибольшей скоростью движутся те звезды, которые расположены поблизости от объекта Стрелец А, который и ранее предположительно относили к числу «черных дыр». У звезд, удаленных от него всего на пять световых суток, скорость обращения вокруг центра превышает 1000 км/с. Вычисления показали, что подобное движение звезд может наблюдаться лишь в том случае, если в ядре Галактики находится объект, масса которого составляет 2.6 млн массы Солнца, а плотность такая, как если бы 2 трлн Солнц «втиснуть» в один кубический световой год! Такими свойствами может обладать только «черная дыра», поглощающая за какие-нибудь несколько миллионов лет всю материю, попадающую в сферу ее влияния. О сходных результатах сообщила на конференции Американского астрономического общества (Вашингтон, 1998) А.М. Гез ( Университет штата Калифорния, Беркли). Вместе с коллегами она вела наблюдения в том же инфракрасном диапазоне частот (2 мкм), что и Экарт, но на более мощном 10-метровом Телескопе им. Кека на горе Мауна-Кеа (Гавайские о-ва). Они установили, что звезды, расположенные к центру Галактики вдвое ближе, чем наблюдавшиеся немецкими астрономами, движутся со скоростью 3000 км/с! По мнению Гез, такую скорость звездам может придать лишь «черная дыра» с массой 2.7 млн Солнц. При таких масштабах величин вывода обеих групп можно считать почти идентичными. Итак, в центре нашей Галактики, по всей видимости, так же находится огромная «черная дыра».