Чорні дірки

Астрономія

Зміст

Вступ 2

Зовнішня будова чорної дірки 2

Тимчасові тунелі? 3

Ергосфера 3

Метаморфози чорних дірок 4

Знайдена чи вже чорна діра? 6

Може XTE J1118 +480 і є та сама чорна діра? 7

Гіпотеза Лапласа 9

Роботи Хоукінга 9

Висновок 10

Використана література: 11

Введення

Чорні дірки - об'єкти всесвіту, які залучають інтерес багатьохвчених-астрономів. Чорні дірки, космічні об'єкти, існування якихпередбачає загальна теорія відносності. Утворюються при необмеженійгравітаційному колапсі масивних космічних тіл (зокрема, зірок змасами 40-60 M (). Коллапс гравітаційний - катастрофічно швидке стисненнязірки під дією сил тяжіння (гравітації).

Зовнішня будова чорної дірки

Чорна дірка володіє зовнішнім гравітаційним полем, властивості якоговизначаються масою, моментом обертання і, можливо, електричним зарядом,якщо коллапсірующая зірка була електрично заряджена. На великихвідстанях поле чорної дірки практично не відрізняється від полів тяжіннязвичайних зірок, і рух інших тіл, що взаємодіють з чорною дірою навеликій відстані, підкоряється законам механіки Ньютона. Гравітаційнеполе настільки сильно, що абсолютно не може випускати світло, тому вониздаються чорними.

Катастрофічна гравітація стисненням (колапсом) може закінчуватися, вЗокрема, еволюція зірок, маса яких на момент стиснення перевищуєкритичну величину. Значення критичної маси точно не визначено і взалежно від прийнятого рівняння стану речовини змінюється від 1,5 M (до
3M ((де M (- маса Сонця).

Якщо після втрати стійкості в зірці не відбувається звільненняенергії, достатньою для зупинки стиснення або для вибуху, при якомущо залишилася після вибуху маса стала б менше критичної, то центральнічастини зірки коллапсую і за короткий час досягають гравітаційногорадіусу rg. Ніякі сили не можуть перешкодити подальшому стисненнюзірки, якщо її радіус зменшиться до rg (до радіусу сфери Шварцшильда).
Основна властивість сфери Шварцшильда полягає в тому, що ніякі сигнали,випускаються з поверхні зірки, що досягла цієї сфери, не можуть вийтиназовні. Таким чином, в результаті гравітаційного стиснення масивних зірокз'являється область простору-часу, з якої не може вийти ніякаінформація про фізичні процеси, що відбуваються всередині неї.

Тимчасові тунелі?

Відомі труднощі, пов'язані з міжзоряними перельотами. У рядітеоретичних робіт показана можливість існування тунелів,з'єднують будь-які віддалені області Метагалактика або різні міні -всесвіти у Великому Всесвіту. Система з двох тунелів, що забезпечуєрух речовини і випромінювання в будь-якому напрямку, для зовнішнього спостерігачабуде досить сприятливими з подвійною системою, що складається з чорної і білої діри.

Через аналог чорної діри можливий прохід з однієї частини нашого Всесвітув іншу її частину або в інший всесвіт. Через аналог білої дірки можливийдоступ до нас. Ідея застосування топологічних тунелів використана в романівідомого американського астрофізика К. Сагана «Контакт».

Ергосфера

Як показують розрахунки, у що обертається чорної дірки поза її поверхніповинна існувати область, обмежена поверхнею статичногомежі, то є ергосфера. Сила тяжіння з боку чорної діри,діюча на нерухоме тіло, розміщене у ергосферу, звертається донескінченність. Однак ця сила скінченна. Будь-які частинки, що опинилися вергосфере, будуть обертатися навколо чорної діри. Наявність ергосфери можепризвести до втрати енергії обертається чорної дірки. Це можливо, вЗокрема, у тому випадку, якщо якийсь тіло, влетівши в ергосферу,розпадається (наприклад, в результаті вибуху) біля поверхні чорної діри,на дві частини, причому один з них продовжує падіння на чорну дірку, адруге вилітає з ергосфери. Параметри вибуху можуть бути такими, щоенергія вилетіла з ергосфери частини більше енергії колишнього тіла.
Додаткова енергія при цьому черпається з енергії обертання чорної діри.
Зі зменшенням моменту її обертання поверхню статичного межізливається з поверхнею чорної дірки і ергосфера зникає. Швидке обертанняколлапсірующая тіла перешкоджає утворенню чорної діри внаслідокдії сил обертання. Тому чорна діра не може мати момент обертаннябільший деякого екстремального значення.

Метаморфози чорних дір

Як показують квантово механічні розрахунки, в сильному гравітаційномуполе чорних дірок можуть народжуватися частки - фотони, нейтрино, Гравітон,електрон-позитронного пари та ін; в результаті вона випромінює як чорне тілоз ефективною температурою навіть тоді, коли ніякеречовина на неї не падає. Енергія цього випромінювання черпається з енергіїгравітаційного поля чорної діри, що з часом призводить до зменшення їїмаси. Однак через низьку ефективність процеси квантового випромінюваннянесуттєві для масивних чорних дір, що виникають в результаті колапсузірок. На ранніх (гарячих і надщільних) етапах розвитку Всесвіту в нійчерез неоднорідного розподілу речовини могли утворитися чорні дірки зрізної масою - від 10ѕ5 г до маси Сонця і більше. На відміну від чорнихдірок - сколлапсіровавшіх зірок, ці чорні діри отримали назву первинних.

Процеси квантового випромінювання зменшують масу чорної діри, і дотеперішнього часу всі первинні чорні дірки з масою менше 1015 г повиннібули "випаруватися". Інтенсивність і ефективна температура випромінювання чорноїдірки збільшуються зі зменшенням її маси, тому на останній стадії (длямаси близько 3.109 г) "випаровування" чорної діри є вибух звиділенням 1030 ерг за 0,1 сек. Первинні чорні діри, масою більшою, ніж
1015 р залишилися практично незмінними. Виявлення первинних чорних дірпо їх випромінюванню дозволило б зробити важливі висновки про фізичні процеси,протікаючих на ранніх стадіях еволюції Всесвіту.

Пошуки чорних дір у Всесвіті являють собою одну з актуальнихзавдань сучасної астрономії. Передбачається, що чорні діри можуть бутиневидимими компонентами деяких подвійних зоряних систем. Однак цейвисновок не достовірний, тому що одна з зірок подвійної системи, будучи нормальноюзіркою, може виявитися невидимої на тлі більш сильного світіння другукомпоненти. Інший знаходження чорної діри в подвійних системах грунтуєтьсяна вивченні світіння речовини, яка перетікає до неї з сусідньої
(звичайної) зірки. Поблизу чорної діри з перетікає речовини утворюєтьсядиск, його шари рухаються навколо чорної діри з різними швидкостями.

Через тертя між сусідніми шарами речовина в диску нагрівається додесятків мільйонів градусів, і внутрішні області диска випромінюють енергію врентгенівському діапазоні електромагнітного спектру (Випромінювання чорних дірок неможе покинути чорні дірки - воно "зачинено" гравітацією). Аналогічневипромінювання буде народжуватися і в тому випадку, якщо на місці чорної діри вподвійної системи буде знаходитися нейтронна зірка, але остання не можемати масу більше деякого граничного значення. У результатікосмічних досліджень відкрито велике число джерел рентгенівськоговипромінювання в подвійних зоряних системах. Чорні діри можна виявити лише занепрямих даних.

Знайдена чи вже чорна діра?

Вчені твердо вірять у те, що чорні діри дійсно існують.
Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна передбачала можливістьіснування подібних об'єктів ще в 1917 році, а за останні десятиліттяастрономи виявили безліч свідчень їхньої присутності у багатьохобластях космічного простору.

Відомо більше 5 об'єктів, до складу яких, ймовірно, входять чорнідірки. Тим не менше, є лише непрямі підтвердження, але немаєнезаперечних доказів. Найбільш імовірним кандидатом у чорні діриє рентгенівський джерело Лебідь Х-1, виявлений на початку 1970-хроків в Х-бірнарних системах. Маса джерела в цій системі, яку можнаоцінити з спостерігається швидкості руху оптичної зірки по орбіті ізаконів Кеплера, перевищує граничне значення маси для нейтронної зірки.

Рентгенівське зображення галактик "Антени", отримане
"Чандра".

Рентгенівська обсерваторія "Чандра" виявила в декількох галактикахз високим темпом зореутворення місця розташування можливих чорних дірз середньою масою.

Може XTE J1118 +480 і є та сама чорна діра?

Дані з Цифрового огляду неба DSS, створеного Інститутом Космічноготелескопа, зіграли важливу роль у відкритті стародавньої чорної діри, що рухаєтьсячерез галактичні околиці Сонця. Ця чорна діра в парі з невеликоюзіркою-компаньйоном, чиє речовина вона поглинає, рухається по витягнутоїорбіті, перетинаючи далекі області Чумацького Шляху. Учені припускають, щочорна діра є залишком масивної зірки, яка завершила своєіснування мільярди років тому і завдяки гравітаційних ефектіввикинута з рідного зоряного скупчення.

досліджених об'єктів носить позначення XTE J1118 +480, він буввиявлений при спостереженнях на рентгенівському супутнику "Россі-ХТЕ" 29 березня
2000 року. Пізніше оптичні та радіонаблюденія дозволили визначити, щовідстань до нього становить 6000 світлових років.

Як відомо, більшість зірок Чумацького Шляху знаходяться в тонкомугалактичному диск. Однак деяка частина зірок міститься у кульовихскупченнях, що складаються із сотень тисяч старих зірок і рухаються по орбітах,що виходять за межі галактичної площині. Орбіта XTE J1118 +480 схожана орбіти кульових скупчень, а швидкість, з якою відбувається рух,складає 145 км/с відносно Сонця.

Зірка, що стала батьком чорної діри в XTE J1118 +480, можливо,сформувалася в кульовому скупченні ще до того, як з'явився диск
Галактики. На великий вік чорної діри вказує і те, що зірка -компаньйон, речовина якої діра поглинає, втратила майже всю свою масу,яка тепер складає не більше третини маси Сонця. Вчені вважають, щозахоплення зірки-компаньйона стався ще до викиду чорної діри зі скупчення.

Відносна близькість до Сонця дозволила астрономам за допомогою мережірадіотелескопів VLBA визначити параметри руху чорної діри. Спостереженняна VLBA проводилися в травні і липні 2001 року, при цьому на повну силувикористовувалася висока роздільна здатність мережі для виявленнязміщення об'єкта відносно більш віддалених небесних тіл.

Хоча кілька "среднемассівних" чорних дірок було виявлено раніше,тепер з'явилася можливість спостерігати велика кількість подібних об'єктіві з'ясувати їх зв'язок з формуванням зірок і освітою набагато більшемасивних чорних дір. На конференції Американського астрономічногосуспільства три незалежні групи повідомили про десятки рентгенівськихджерел, виявлених в галактиках з високим темпом зореутворення.
Ці джерела мають точковий вигляд і в десятки тисяч разів яскравіше подібнихджерел, відкритих в нашій Галактиці і галактиці М81.

Гіпотеза Лапласа

Першою людиною, припустити існування чорних дір, був Симон-
П'єр де Лаплас, який, вивчаючи теорію тяжіння, висунув гіпотезу проіснування об'єктів, що рухаються зі швидкістю, що перевищує швидкістьсвітла. Учений припускав, що існує тіло, швидкість якого настількивисока (близько 300 000 км/с), що світ не може випромінюватися з йогоповерхні.

Роботи Хоукінга

Стівен Хоукінга, незважаючи на свою важку життя, затьмарений позбавленнямдару мова і повну нерухомість, написав багато праць, в тому числіпов'язаних зі спробами пояснити фізичні основи теорії Великого вибуху,розпізнаванням чорних дір і значною деформацією простору і часувсередині них.

Один із самих цікавих фактів, висунутих Хоукінга, був про те, щочорні дірки не повністю "чорні", а можуть викидати випромінювання завдякиквантових ефектів до власного зникнення або вибуху.

Висновок

Багато цікавого можна дізнатися про чорні дірки, займаючись їх вивченнямвпритул. У глибинах Всесвіту так багато всього нового і невідомого, щобуде вивчатися, я думаю, ще довгий час.

Є впевненість, що з удосконаленням техніки ми зможемо колисьнебудь дізнатися, спростувати або довести сьогоднішні припущення ігіпотези, які люди висловлювали сотні років тому.

Правильно сказав Дж. Друно: «Розумова сила ніколи не заспокоїться,ніколи не зупиниться на пізнаної правду, але весь час буде йти впереді далі, до непізнаною істини ».

Використана література:

1. Зубков Б.В., Чумаков С.В. «Енциклопедія юного техніка» «Педпгогіка»;

М., 1988.
2. Аза Бріггс, Ангус Хол "Коли?" Т Де? Як? і чому це відбулося? »1993;

3. Рандзіні Дж. Довідник "Космос". - М., «Росмен» 2000.