Реферат на тему:
"Чорні діри Всесвіту"

Владивосток
2000

Зміст:

Чорні дірки вселенной_____________________________3
Гіпотези і парадокси______________________________6
Заключеніе_______________________________________14
Список використаної літератури_________________15

Чорні діри всесвіту

У цьому явищі, здавалося, міститься стільки нез'ясовного, майжемістичного, що навіть Альберт Ейнштейн, чиї теорії, по суті справи, породилиуявлення про чорні діри, сам просто не вірив в їх існування.
Сьогодні астрофізики все більше переконуються, що чорні діри - цереальність.

Математичні розрахунки показують - невидимі гіганти є. Чотирироки тому група американських і японських астрономів направила свійтелескоп на сузір'я Гончих Псів, на що знаходиться там спіральну туманність
М106. Ця галактика віддалена від нас на 20 мільйонів світлових років, але їїможна побачити навіть за допомогою аматорського телескопа. Багато хто вважав, щовона така ж, як і тисячі інших галактик. При уважному вивченнівиявилося, що в туманності М106 є одна рідкісна особливість - в їїцентральній частині існує природний квантовий генератор - мазер. Цегазові хмари, в яких молекули завдяки зовнішньої «накачування» випромінюютьрадіохвилі в мікрохвильовій області. Мазер допомагає точно визначити своємісце розташування і швидкість хмари, а в підсумку - і інших небесних тіл.

Японський астроном Макото Міоніс і його колеги під час спостереженьтуманності М106 виявили дивну поведінку її космічного Мазера.
Виявилося, що хмари обертаються навколо якогось центру, віддаленого від нихна 0,5 світлового року. Особливо заінтригувала астрономів особливість цьогообертання: периферійні шари хмар переміщувалися на чотири мільйоникілометрів на годину! Це говорить про те, що в центрі зосереджена гігантськамаса. За розрахунками вона дорівнює 36 мільйонам сонячних мас.

М106 - не єдина галактика, де підозрюється чорна діра. Утуманності Андромеди, швидше за все, теж є і приблизно така ж за масою
- 37 мільйонів Сонць. Передбачається, що і в галактиці М87 - надзвичайноінтенсивному джерелі радіовипромінювання - виявлена чорна діра, в якійзосереджено 2 мільярди мас Сонця! Рис. 1 Галактика М87

Лише вісник радіохвиль може бути чорною дірою, ще не повністюзакритою «капсулою» викривленого простору. Радянський фізик Яків
Зельдович і його американський колега Едвін Солпітер повідомили пророзробленої ними моделі. Модель показала: чорна діра притягує газ ізнавколишнього простору, і спочатку він збирається в диск біля неї. Відзіткнень часток газ розігрівається, втрачає енергію, швидкість і починаєпо спіралі наближатися до "чорної діри". Газ, нагріте до декількохмільйонів градусів, утворює вихор, що має форму воронки. Його частинкимчать зі швидкістю 100 тисяч кілометрів на секунду. Зрештою вихоргазу доходить до «обрію подій» і навіки зникає у чорній дірі.

Мазер в галактиці М106, про який йшла мова на самому початку, знаходиться вгазовому диску. Чорні дірки, що виникають у Всесвіті, судячи з того, щоспостерігали американські і японські астрономи в спіральної туманності М106,володіють незрівнянно більшою масою, ніж ті, про які говорить теорія
Оппенгеймера. Він розглянув випадок колапсу однієї зірки, маса якої небільше трьох сонячних. А як утворюються такі гіганти, які астрономи вжеспостерігають, пояснень поки що немає.

Останні комп'ютерні моделі показали, що газова хмара,що знаходиться в центрі народжується галактики, може породити величезнучорну діру. Але можливий і інший шлях розвитку: скупчення газу спочаткурозпадається на безліч більш дрібних хмар, які дадуть життя великимчислу зірок. Однак і в тому, і в іншому випадку частина космічного газу піддією власної гравітації, зрештою, закінчить свою еволюцію ввигляді чорної діри.

За цією гіпотезою чорна діра є майже в кожній галактиці, у томучислі і в нашій, где-то в центрі Чумацького Шляху.

Спостереження так званих систем подвійних зірок, коли в телескоп виднолише одна зірка, дають підставу вважати, що невидимий партнер - чорнадіра. Зірки цієї пари розташовані так близько одна до одної, що невидимамаса «висмоктує» речовина видимої зірки і поглинає його. У деякихвипадках вдається визначити час обороту зірки навколо її невидимогопартнера і відстань до невидимки, що дозволяє розрахувати приховану відспостереження масу.

Перший кандидат на таку модель - пара, виявлена на початку 70-хроків. Вона знаходиться в сузір'ї Лебедя (позначена індексом Cygnus XI) івипускає рентгенівські промені. Тут обертаються гаряча блакитна зірка і, заЦілком ймовірно, чорна діра з масою, що дорівнює 16 мас Сонця. Іншапара (V404) має невидиму масу в 12 Рис. 2 Cygnus XI сонячних. Щеодна підозрювана пара - рентгенівський джерело (LMCX3) о дев'ятій сонячнихмас знаходиться у Великій Магеллановій Хмарі.

Усі ці випадки добре пояснюються в міркуваннях Джона Мішелль про
«Темних зірок». У 1783 році він писав: «Якщо світяться тіла обертаютьсянавколо невидимого чогось, то ми повинні бути в змозі з руху цьогообертового тіла з відомою ймовірністю зробити висновок про існуванняцього центрального тіла ».

Гіпотези і парадокси

Загальна теорія відносності, як відомо, передбачила, що масавикривляє простір. І вже через чотири роки після публікації роботи
Ейнштейна цей ефект був виявлений астрономами. При повному сонячномузатемненні, проводячи спостереження з телескопом, астрономи бачили зірки, якінасправді були перекреслені краєм чорного місячного диска, що покрив
Сонце. Під дією сонячної гравітації зображення зірок змістилися.
(тут вражає ще й точність вимірювання, тому що змістилися вони менше,ніж на одну тисячну градуса!)

Астрономи тепер точно знають, що під впливом «лінзи тяжіння»,яку представляють собою важкі зірки і, перш за все чорні дірки,реальні позиції багатьох небесних тіл насправді відрізняються від тих, щонам бачаться із Землі. Далекі галактики можуть виглядати для насбезформними і у вигляді «капсули». Це означає: тяжіння настільки велике іпростір так закручено, що світло проходить по колу. Воістину там можнапобачити те, що відбувається за рогом.

Уявімо абсолютно неймовірне: якийсь відважний космонавт вирішивнаправити свій корабель до чорної дірки, щоб пізнати її таємниці. Що він побачитьв цьому фантастичному подорожі?

У міру наближення до мети годинник на космічному кораблі будуть всібільше і більше відставати - це випливає з теорії відносності. Напідльоті до мети наш мандрівник виявиться як би в трубі, кільцемнавколишнього чорну дірку, але йому буде здаватися, що він летить за зовсімпрямому тунелю, а зовсім не по колу. Але космонавта чекає ще більшедивне явище: потрапивши за «горизонт подій» і рухаючись по трубі, вінбуде бачити свою спину, свій потилицю ...

Загальна теорія відносності говорить, що поняття «зовні» і «усередині»не мають об'єктивного сенсу, вони відносні також, вони на знаки «наліво»або «направо», «вгору» або «вниз». Вся ця парадоксальна плутанина знапрямками дуже погано узгоджується з нашими повсякденними оцінками.

Як тільки корабель перетне кордон чорної діри, люди на Землі вже незможуть нічого побачити з того, що там буде відбуватися. А на кораблізупиняться годинники, всі барви будуть змішані в бік червоного кольору: світловтратить частину енергії в боротьбі з гравітацією. Всі предмети придбаютьдивні спотворені обриси. І, нарешті, навіть якщо ця чорна діра будевсього вдвічі важче, ніж наше Сонце, тяжіння стане настільки сильним, щоі корабель, і його гіпотетичний капітан будуть витягнуті у мотузку і незабаромрозірвані. Матерія, яка потрапила всередину чорної діри, не зможе протистоятисилам, що тягне її до центру. Ймовірно, матерія розпадеться і перейде всингулярні стан. Згідно з деякими уявленнями, ця розпаласяматерія стане частиною якоїсь іншої Всесвіту - чорні дірки пов'язують нашкосмос з іншими світами.

Як і всі тіла в природі, зірки не залишаються незмінними, вонинароджуються, еволюціонують, і нарешті "вмирають". Щоб простежити життєвийшлях зірок і зрозуміти, як вони старіють, необхідно знати, як вони виникають.
У минулому це уявлялося великою загадкою; сучасні астрономи вжеможуть з великою впевненістю докладно описати шляхи, що ведуть до появияскравих зірок на нашому нічному небосхилі.

Не так давно астрономи вважали, що на освіту зірки зміжзоряних газу і пилу потрібні мільйони років. Але в останні роки булиотримані вражаючі фотографії області неба, що входить до складу Великої
Туманність Оріона, де протягом кількох років з'явилося невеликескупчення зірок. На Рис.3 Велика Туманність Оріона знімках 1947р. в цьомумісці була видна група з трьох звездоподобних об'єктів. До 1954р. деякіз них стали довгастими, а до 1959р. ці довгасті освітирозпалися на окремі зірки - вперше в історії людства людиспостерігали народження зірок буквально на очах цей безпрецедентний випадокпоказав астрономам, що зірки можуть народжуватися за короткий інтервалчасу, і що здавалися раніше дивними міркування про те, що зірки зазвичайвиникають в групах, або зоряних скупченнях, виявилися справедливими.

Який же механізм їх виникнення? Чому за багато роківастрономічних візуальних і фотографічних спостережень неба тільки заразвперше вдалося побачити "матеріалізацію" зірок? Народження зірки не можебути винятковою подією: у багатьох ділянках неба існують умови,необхідні для появи цих тіл.

У результаті ретельного вивчення фотографій туманних ділянок
Чумацького Шляху вдалося виявити маленькі чорні цятки неправильноїформи, або глобули, що представляють собою масивні скупчення пилу та газу.
Вони виглядають чорними, тому що не випромінюють власного світла і знаходятьсяміж нами і яскравими зірками, світло від яких вони заступають. Ці газово -пилові хмари містять частинки пилу, дуже сильно поглинають світло, що йдевід розташованих за ними зірок.

Якщо маса зірки в два рази перевищує сонячну, то до кінця своєїжиття зірка може вибухнути як найновіша, але якщо маса речовинищо залишилося після вибуху, все ще перевершує дві сонячні, то зіркаповинна стиснутися в крихітне щільне тіло, тому що гравітаційні силицілком придушують всяке Рис. 4 Народження внутрішній опірстиснення. Вчені чорної діри вважають, що саме в цей моменткатастрофічний гравітаційний колапс призводить до виникнення чорноїдірки. Вони вважають, що із закінченням термоядерних реакцій зірка вже неможе перебувати в стійкому стані. Тоді для масивної зіркизалишається один неминучий шлях - шлях загального і повного стиснення (колапсу),перетворює її в невидиму чорну діру.

У 1939р. Р. Оппенгеймер і його аспірант Снайдер в Каліфорнійськомууніверситеті (Берклі) займалися з'ясуванням остаточної долі великиймаси холодного речовини. Одним з найбільш вражаючих наслідків загальноїтеорії відносності Ейнштейна виявилося наступне: коли велика масапочинає коллапсіровать, цей процес не може бути зупинений і масастискується в чорну дірку. Якщо, наприклад, не обертається симетрична зіркапочинає стискатися до критичного розміру, відомого як гравітаційнийрадіус, або радіус Шварцшильда (названий так на честь Карла Шварцшильда,якої першим вказав на його існування). Якщо зірка досягає цьогорадіусу, то вже ніщо не може перешкодити їй завершити колапс, тоє буквально замкнутися в собі. Чому ж дорівнює гравітаційний радіус?
Суворе математичне рівняння показує, що для тіла з масою Сонцягравітаційний радіус дорівнює майже 3 км, тоді як для системи, що включаємільярд зірок, - галактики - цей радіус виявляється рівним відстані від
Сонця до орбіти планети Уран, тобто складає близько 3 млрд. км.

Які ж фізичні властивості «чорних дірок» і як вчені припускаютьвиявити ці об'єкти? Багато вчених роздумували над цими питаннями;отримано деякі відповіді, які здатні допомогти в пошуках такихоб'єктів.

Сама назва - чорні діри - говорить про те, що це клас об'єктів,які не можна побачити. Їх гравітаційне поле настільки сильно, що колиб якимось шляхом вдалося опинитися поблизу чорної діри і направити досторону від її поверхні промінь самого потужного прожектора, то побачити цейпрожектор було б не можна навіть з відстані, що не перевищує відстань від
Землі до Сонця. Дійсно, навіть якщо б ми змогли сконцентрувативесь світ Сонця в цьому потужному прожектори, ми не побачили б його, так яксвіт не зміг би подолати вплив на нього гравітаційного поля чорноїдірки і залишити її поверхню. Саме тому така поверхня називаєтьсяабсолютним горизонтом подій. Вона являє собою кордон чорної діри.

Вчені відзначають, що ці незвичайні об'єкти нелегко зрозуміти, залишаючисьв рамках законів тяжіння Ньютона. Поблизу поверхні чорної діригравітація настільки сильна, що звичні ньютонівські закони перестають тутдіяти. Їх слід замінити законами загальної теорії відносності
Ейнштейна. Відповідно до одного з трьох наслідків теорії Ейнштейна, залишаючимасивне тіло, світло повинен відчувати червоне зміщення, тому що він повиненвідчувати червоне зміщення, тому що він втрачає енергію на подоланнягравітаційного поля зірки. Випромінювання, що приходить від щільної зірки,подібної білому карлику - супутника Сіріуса А, - лише злегка зміщується вчервону область спектру. Чим щільніше зірка, тим більше це зміщення, такщо від надщільний зірки зовсім не буде приходити випромінювання у видимійобласті спектра. Але якщо гравітаційне дію зірки збільшується врезультаті її стиснення, то сили тяжіння виявляються настільки великі, щосвітло взагалі не може покинути зірку. Таким чином, для будь-якого спостерігачаможливість побачити чорну дірку повністю виключена! Але тоді, природно,виникає питання: якщо вона невидима, то як же ми можемо її виявити?
Щоб відповісти на це запитання, вчені вдаються до майстерним хитрощів. Руффініі Уїллер досконально вивчили цю проблему і запропонували кілька способівнехай не побачити, але хоча б знайти чорну діру. Почнемо з того, що,коли чорна діра народжується в процесі гравітаційного колапсу, вона повиннавипромінювати гравітаційні хвилі, які могли б перетинати простір зшвидкістю світла і на короткий час спотворювати геометрію простору поблизу
Землі. Це спотворення виявилося б у вигляді гравітаційних хвиль, що діютьодночасно на однакові інструменти, встановлені на земній поверхніна значних відстанях один від одного. Гравітаційне випромінювання моглоб приходити від зірок, що зазнають гравітаційний колапс. Якщо протягомзвичайному житті зірка оберталася, то, стискуючись і стаючи все менше іменше, вона буде обертатися все швидше зберігаючи свій момент кількостіруху. Нарешті вона може досягти такої стадії, коли швидкістьруху на її екваторі наблизиться до швидкості світла, тобто до граничноможливою швидкістю. У цьому разі зірка виявилася б сильнодеформованої і могла б викинути частина речовини. При такій деформаціїенергія могла б йти від зірки у вигляді гравітаційних хвиль із частотоюблизько тисячі коливань у секунду (1000 Гц).

Дж. Вебер встановив пастки гравітаційних хвиль в Аргоннськоїнаціональної лабораторії поблизу Чикаго і в Мерілендського університету. Вонискладалися з масивних алюмінієвих циліндрів, які повинні буливагатися, коли гравітаційні хвилі досягнуть Землі. Використовувані
Вебером детектори гравітаційного випромінювання реагують на високі (1660 Гц),так і на дуже низькі (1 коливання на годину) частоти. Для детектуванняостанньої частоти використовується чутливий гравіметрія, а детекторомє сама Земля. Власна частота коливань квадрупольні Землідорівнює одному коливання за 54 хв.

Всі ці пристрої повинні були спрацьовувати одночасно в момент,коли гравітаційні хвилі досягнуть Землі. Дійсно вони спрацьовувалиодночасно. Але на жаль, пастки включалися занадто часто - приблизнораз на місяць, що виглядало дуже дивно. Деякі вчені вважають, щохоча досліди Вебера і отримані ним результати цікаві, але вони недостатньонадійні. З цієї причини багато хто ставиться досить скептично до ідеїдетектування гравітаційних хвиль (експерименти по детектив?? ованіюгравітаційних хвиль, аналогічні дослідів Вебера, пізніше були перевірені вряді інших лабораторій і не підтвердили результатів Вебера. В данийчас вважається, що досліди Вебера помилкові).

Роджер Пенроуз, професор математики Біркбекского коледжу Лондонськогоуніверситету, розглянув цікавий випадок колапсу і освіти чорноїдірки. Він також допускає, що чорна діра зникає, а потім виявляється вінший час у якийсь інший всесвіту. Крім того, він стверджує, щонародження чорної діри під час гравітаційного колапсу є важливимвказівкою на те, що з геометрією простору-часу відбувається щосьнезвичайне. Дослідження Пенроуза показують, що колапс закінчуєтьсяосвітою сингулярності, тобто він повинен тривати до нульовихрозмірів і нескінченної щільності об'єкта. Останні умова даєможливість іншого всесвіту наблизитись до нашої сингулярності, і невиключено, що сингулярність перейде в цю нову всесвіт. Вона навіть можез'явитися в будь-якому іншому місці нашої власної Всесвіту.

Висновок

Деякі вчені розглядають освіта чорної дірки як маленькумодель того, що, згідно прогнозам загальної теорії відносності, вкінцевому рахунку може трапитися зі Всесвітом. Загальновизнано, що ми живемо внезмінно розширюється Всесвіту, і одна з найбільш важливих і насущнихпитань науки стосується природи Всесвіту, її минулого Рис.5 Чорна діра імайбутнього. Без сумніву, всі сучасні результати спостережень вказують нарозширення Всесвіту. однак на сьогодні один із самих каверзних питаньтакий: сповільнюється чи швидкість цього розширення, і якщо так, то не стиснетьсяЧи Всесвіт через десятки мільярдів років, утворюючи сингулярність. За -Мабуть, коли-небудь ми зможемо з'ясувати, яким шляхом слід
Всесвіт, але, можливо, набагато раніше, вивчаючи інформацію, якапросочується при народженні чорних дір, і ті фізичні закони, якіуправляють їхньою долею, ми зможемо передбачити остаточну долю Всесвіту.

Список використаної літератури:

1. Космос: Збірник. Науково - популярна література/Ю. І. Коптєв і С. А.
Нікітін; - Л.: Дет. лит., 1987. - 223 с.

2. І. А. Климишин. Астрономія наших дней.-М.: «Наука»., 1976. - 453 с.

3. А. Н. Томілін. Небо Землі. Нариси з історії астрономії/К. Ф.
Огородников. Л., «Дет. лит. », 1974. - 334 с., Іл.

4. Енциклопедичний словник юного астронома/Сост. Н. П. Ерпилев. - 2-е изд., - М.: Педагогіка, 1986. - 336с.