Черные дыры

Введение

В наше время трудно найти  человека, который не слышал бы о  черных дырах. Вместе с тем, пожалуй, не менее трудно отыскать того, кто  смог бы объяснить, что это такое. Но для специалистов черные дыры уже перестали быть. Однако подлинная роль черных дыр, их "предназначение" для Вселенной, находится далеко за рамками астрономии и физики элементарных частиц. При их изучении исследователи глубоко продвинулись в научном понимании прежде сугубо философских вопросов - что есть пространство и время, существуют ли границы познания природы, какова связь между материей и информацией.

Тема реферата актуальна, потому что сейчас идет активное изучение и освоение космоса и знания о таких объектах Вселенной, как черные дыры, просто необходимы.

Цель реферата: ознакомиться с общим представлением о черных дырах.

Задачи: дать определение  черным дырам, ознакомиться с их свойствами и видами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Черные дыры

Одним из удивительных явлений  в структуре Вселенной является существование черных дыр. Чёрная дыра́  — 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).

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, уверенно предсказывающая возможность образования чёрных дыр, хотя, строго говоря, эта теория не является экспериментально подтверждённой.

Кроме того, чёрными дырами часто называют объекты, не строго соответствующие  данному выше определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам  к такой чёрной дыре.

Для возникновения черной дыры необходимо, чтобы масса сжалась до таких размеров, при которых вторая космическая скорость (равная 11,2 км/с) становится равной скорости света (300 000 000 м/с или 3×10⁸ м/с). Этот размер носит название гравитационного радиуса и зависит от массы тела.

Со времени теоретического предсказания чёрных дыр оставался  открытым вопрос об их существовании, так как наличие решения типа «чёрная дыра» ещё не гарантирует, что существуют механизмы образования  подобных объектов во Вселенной. С математической точки зрения известно, что коллапс гравитационных волн в общей теории относительности ведёт к формированию чёрной дыры

С физической точки зрения известны механизмы, которые могут  приводить к тому, что некоторая  область пространства-времени будет  иметь те же свойства (ту же геометрию), что и соответствующая область у чёрной дыры.

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

• Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды (более чем 3,6 масс Солнца) на конечном этапе её эволюции.
• Коллапс центральной части галактики или пра-галактического газа. Современные представления помещают огромную чёрную дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик.
• Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.
• Возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях высоких энергий — квантовые чёрные дыры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Свойства черных дыр

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, 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.
2. Каким бы сложным ни было исходное тело, после его сжатия в черную дыру можно будет  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".
3. Если исходное тело вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется "вихревое" гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее. Этот эффект характерен не только для черной дыры, но для любого вращающегося тела, даже для Земли.

 

 

 

4. Все вещество внутри горизонта событий черной дыры непременно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хоукинг определяет сингулярность как "место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени".
5. Возможность очень медленного самопроизвольного квантового "испарения" черных дыр. Черные дыры (не только вращающиеся, но любые) могут испускать вещество и излучение, однако заметно это будет лишь в том случае, если масса самой дыры относительно невелика. Идея об "испарении" черных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Виды черных дыр 

3.1.Чёрные дыры звёздных масс

Чёрные дыры звёздных масс – это 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:

• 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
• Нейтронная звезда - астрономический объект, являющийся одним из конечных продуктов эволюции звёзд, состоящий из нейтронной сердцевины и сравнительно тонкой  коры вырожденного вещества, содержащей тяжёлые атомные ядра. Масса нейтронной звезды практически такая же, как и у Солнца, но радиус всего 10 км. Считается, что нейтронные звезды рождаются во время вспышек сверхновых.
• Чёрная дыра.

Условия (главным образом, масса), при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению. Дополнительные сложности представляет моделирование звёзд на поздних этапах их эволюции из-за сложности химического состава и резкого уменьшения времени протекания процессов.

 

 

Различные модели дают нижнюю оценку массы чёрной дыры, получающейся в результате гравитационного коллапса, от 2,5 до 5,6 масс Солнца. Радиус чёрной дыры при этом очень мал — несколько  десятков километров.

Впоследствии чёрная дыра может разрастись за счёт поглощения вещества — как правило, это газ  соседней звезды. Процесс падения  газа на чёрную дыру - аккрецией. При  этом из-за вращения газа формируется  аккреционный диск. В нем вещество разгоняется до релятивистских скоростей (т.е. скорости близкой к скорости света), нагревается и в результате сильно излучает, что даёт возможность обнаруживать такие аккреционные диски (и, следовательно, чёрные дыры) при помощи ультрафиолетовых и рентгеновских телескопов. Основной проблемой является малая величина и трудность регистрации отличий аккреционных дисков нейтронных звёзд и чёрных дыр.

Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также  столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов

25 августа 2011 года появилось  сообщение о том, что впервые  в истории науки группа японских  и американских специалистов смогла в марте 2011 года зафиксировать момент гибели звезды, которую поглощает чёрная дыра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.Сверхмассивные чёрные дыры

Сверхмасси́вная чёрная дыра́ — это чёрная дыра с массой около 10⁵–10¹⁰ масс Солнца. Сверхмассивные чёрные дыры обнаружены в центре многих галактик, включая Млечный Путь

Сверхмассивные чёрные дыры имеют специфические свойства, отличающие их от меньших чёрных дыр:

• Плотность сверхмассивной чёрной дыры может быть очень мала (даже меньше плотности воздуха).
• Приливные силы около горизонта событий значительно слабее. Из-за того, что центральная сингулярность расположена настолько далеко от горизонта, гипотетический космонавт, путешествующий к центру чёрной дыры, не почувствует действия экстремальных приливных сил до тех пор, пока не погрузится в неё очень глубоко.

Сверхмасси́вные чёрные дыры – это  разросшиеся очень  большие чёрные дыры, по современным  представлениям, образуют ядра большинства  галактик.

В настоящее время  существование чёрных дыр звёздных и галактических масштабов считается большинством учёных надёжно доказанным астрономическими наблюдениями.

Американские астрономы  установили, что массы сверхмассивных чёрных дыр могут быть значительно  недооценены. Исследователи установили, что для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87 (которая расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть в два раза больше нынешних оценок ядра М87, которые составляют 3 млрд солнечных масс.

Для чёрной дыры в ядре галактики гравитационный радиус равен 3•10¹⁵ см = 200 а.е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона. Критическая плотность при этом равна 0,2•10⁻³ г/см³, что в несколько раз меньше плотности воздуха.

3.3.Первичные чёрные дыры

Первичные чёрные дыры в  настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты  жизни Вселенной существовали достаточной  величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе — их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.Квантовые чёрные дыры

Предполагается, что в  результате ядерных реакций могут  возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые  чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Её масса — порядка 10⁻⁵ г, радиус — 10⁻³⁵ м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу.

Таким образом, все «элементарные  объекты» можно разделить на элементарные частицы (их длина волны больше их гравитационного радиуса) и чёрные дыры (длина волны меньше гравитационного радиуса). Планковская чёрная дыра является пограничным объектом, для неё можно встретить название максимон, указывающее на то, что это самая тяжёлая из возможных элементарных частиц. Другой иногда употребляемый для её обозначения термин — планкеон.

Даже если квантовые  чёрные дыры существуют, время их существования  крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным.