Міністерство освіти і науки України
Управління освіти і науки Херсонської міської ради
Херсонське територіальне відділення МАН України
Херсонський фізико-технічний ліцей Херсонської міської ради
| | Відділення: технічних наук Секція: астрофізика |
ЧОРНІ ДІРИ
| | Виконавець: Васенко Владислав Григорович учень 10-А класу Херсонського фізико-технічного ліцею Херсонської міської ради ХМР |
| | Науковий керівник: Ткачов Олексій Михайлович вчитель фізики та астрономії вищої категорії Херсонського фізико-технічного ліцею Херсонської місько ради ХМР |
Херсон – 2019
ЗМІСТ
| ВСТУП | 3 | |||||||||
| 1. ЧОРНІ ДІРИ
| 4 4 5 7 | |||||||||
| 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧОРНОЇ ДІРИ
| 7 7 8 9 10 10 11 12 12 12 13 | |||||||||
| 3. Життєвий цикл зірки => чорна діра
| 14 14 15 17 | |||||||||
| 4. ПОРІВНЯЛЬНА ТАБЛИЦЯ РІЗНИХ ТИПІВ ЧОРНИХ ДІР | 18 | |||||||||
| ВИСНОВКИ | 21 | |||||||||
| СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ | 22 |
ВСТУП
Ні для кого не секрет, що науковий прогрес не стоїть на місці, не зупиняється ні на секунду. Вчені з усього світу щодня намагаються хоч на крок наблизитися до розгадки походження Всесвіту та, на перший погляд, примітивних елементів його будови.
Особливе місце серед своїх численних досліджень вчені приділяють саме чорним дірам. Це й цілком зрозуміло, бо що, як не вони, викликають у вчених багато питань та численних теорій щодо свого походження. Чому саме питання чорних дір наразі є пріоритетним та не менш актуальним? Відповідь на це питання на перший погляд дуже очевидна : людина за своєю природою прагне пізнавати все, що її оточує, та, незважаючи на те, що сучасні, хоч і іноваційні, проте все одно малорозвинені, технології поки що не дозволяють нам полетіти, наприклад на Марс, щоб встановити на ньому обсерваторію для більш точного та детального аналізу космосу, але все одно, навіть якщо ми знаходимося на Землі, обмежуючись банальною неможливістю побачити все, що нас цікавить, ми все одно це досліджуємо, щоразу підтверджуючи раніше висунуті теорії.
У приклад можно навести світлину, опубліковану NASA 10 квітня, на якій була вперше показана чорна діра, яку пізніше назвали “Поеха”. Чи це не прорив у науковому прогресі? Я вважаю, що ця фотографія лише підтверджує вищесказане.
Предметом дослідження є чорні діри.
Об’єктом дослідження є порівняльна характеристика основних видів чорних дір з обчисленням гравітаційних радіусів.
Метою роботи є дослідження та порівняння видів чорних дір та відповідних гравітаційних радіусів, з урахуванням їх мас.
Практичне значення роботи полягає в тому, що за допомогою нижченаведеної таблиці можна набагато легше та швидше орієнтуватися між різними видами чорних дір.
1. ЧОРНІ ДИРИ
1.1 Що таке чорна діра?
Чорна діра– астрофізичний об'єкт, який створює настільки потужну силу тяжіння, що жодні, як завгодно швидкі частинки не можуть покинути його поверхню, у тому числі навіть світло.
Чорна діра є всім, окрім порожнього простору, це велика кількість матерії, зібраної в дуже маленьку область. Наприклад зірка, яка за розмірами в n-разів масивніша, ніж Сонце, яка втиснулася в сферу діаметром приблизно з невелике поселення. В результаті гравітаційне поле настільки сильне, що навіть світло не може уникнути його. Словом, чорна діра затягує все, що в неї потрапляє, її межа - «горизонт подій», точка неповернення. В останні роки інструменти NASA намалювали нову картину цих дивних об’єктів, які для багатьох є найчарівнішими об’єктами в космосі (мал.1).
Рис.1. “Створена інструментами NASA візуалізація чорної діри”
Більше того, чорними дірами часто називають об'єкти, які не відповідають суворо даному вище визначенню, але за своїми властивостями наближаються до такої чорної діри - наприклад, вони можуть бути зірками, які знаходились на завершальних стадіях колапсу. У сучасній астрофізиці цій різниці не надається великого значення, оскільки спостережувані прояви зірки, «що розпалася» («колапсуючої») та «справжньої чорної діри» майже однакові.
Це відбувається тому, що відмінності фізичних полів навколо колапсара від таких для «справжньої» чорної діри зменшуються по степенним законам з характерним часом близько гравітаційного радіуса, поділеного на швидкість світла. Термін запровадив Джон Арчибальд Вілер наприкінці 1967 року. Він вперше вжив його в публічній лекції «Наш Всесвіт: відоме й невідоме.» : “Ідея предмета в космосі настільки масивна і щільна, що навіть світло не може уникнути цього вже протягом століть”.
1.2 Перша реальна світлина з чорною дірою
10 квітня 2019 року відбувся, можливо найвизначніший день для науковців-астрофізиків всієї Планети. Саме цього дня Національний науковий фонд США виставив на показ першу науково задокументовану «фотографію» надмасивної чорної діри в центрі галактики Messier 87 (M.87), що розташована на відстані у понад 54 мільйони світлових років від Землі (мал. 2). Зображення було отримано завдяки проекту Event Horizon Telescope (EHTProject). «Отримана картинка підтверджує існування горизонту подій, тобто підтверджує правильність загальної теорії відносності Ейнштейна», - заявляв один з керівників проекту, Лучано Реццолі.
Рис.2. “Перша фотографія чорної діри, зроблена в ході проекту EHT (Телескоп Горизонту Подій)
Проект EHT (Телескоп горизонту подій) використовував вісім радіотелескопів, розташованих на 3 континентах Землі, щоб сфотографувати чорну діру в центрі галактики M87, що знаходиться в самому центрі сузір'я Діви. Ця чорна діра вважається однією з найважчих серед тих, які відомі вченим, та, власне, першою і поки що єдиною, чиє зображення вдалося отримати. Її маса перевищує масу Сонця в 6,5 млрд разів, астрономи називають її «монстром» і «чемпіоном у важкій вазі».
Якщо бути точними, вченим вдалося сфотографувати не саму чорну діру, а її «тінь» - те, як діра виглядає на тлі диска з яскравою і розпеченою матерією, яка його оточує. Матерія ця складається з газу. Але сама чорна діра - це лише частина простору-часу, і, як зазначалося раніше, вона за своєю природною не може бути помітна через потужні сили гравітації. що її не може покинути.
Як «фотографували»
Самі спостереження за чорною дірою тривали кілька діб у квітні 2017 року. При цьому астрофізикам тоді дуже сильно пощастило, а саме : у всіх точках планети, де розташовані обсерваторії, була нормальна погода, що посприяла як найбіль швидкому процесу зйомки.
Проте, вчені, працюючі за допомогою цього проекту спочатку мали на меті отримати зображення надмасивної чорної діри у центрі Чумацького Шляху. Ця чорна діра має назвою «Стрілець А», відносно маленька: її маса перевищує сонячну “всього” в 4 млн разів. Втім, команда вчених вирішила піти далі і досліджувати чорну діру в галактиці M.87, оскільки вона є однією з найбільших і найбільш близько розташованих до Землі, крім того, спостереження за нею виявилося більш простішим, ніж за «Стрільцем А».
Фото чорної діри отримали не за допомогою оптичного телескопа, а завдяки інтерферометрії - процесу, який поєднує дані одночасного спостереження з декількох радіотелескопів. Астрономи залучили шість обсерваторій в Мексиці, США (штати Арізона і Гаваї), Чилі та Іспанії, і направили вісім потужних радіотелескопів в центр галактики M87. Зібрані одночасно дані досліджували, потім об'єднали і отримали довгоочікуване зображення
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧОРНОЇ ДІРИ
2.1 Викривлення простору
Важливо зазначти, що поблизу чорної діри сили гравітаційного поля такі великі, що фізичні процеси там можна описувати тільки за допомогою релятивістської теорії тяжіння. Простір і час викривляються гравітаційним полем масивних тіл, причому, не менш очевидним є той факт, що найбільше викривлення відбувається саме поблизу чорних дір (мал. 3), воно є настільки великим, що навіть промені світла настільки викривляються, що починають рухатися по колу. Важливим є той факт, що гравітація діє на всі фізичні системи однаково: всі годинники показують, що час уповільнюється, а всі лінійки, що простір розтягується саме поблизу чорної діри. Це означає, що чорна діра викривляє навколо себе дуже велику геометрію простору-часу. Та навпроти, вдалині від чорної діри це викривлення маленьке, порівняно з ближніми відстанями.
Рис.3. “Схематично-візуальне викривлення навколишнього простору чорною дірою”.
2.2 Допустимі межі маси чорної діри (Межі Чандрасекара)
Межа Чандрасекара – основний та найважливіший пункт у характеристиці маси чорної дири. За визначенням терміну, межа Чандрасекара є найбільшою теоретично можливою масою білого карлика, за якої він не може колапсувати у чорну діру чи нейтронну зірку, яка при неприпиненні колапсу все одно перетвориться у чорну діру. За достатньо точними підрахунками, він дорівнює 1.4 мас нашого Сонця. Для зір, маса яких більша за цю межу, внутрішній тиск не зможе протистояти силам зовнішнього тяжіння. У цьому випадку зірка при значному охолодженні буде стискатися, поки електрони її речовини не з'єднаються з протонами її ядер.
Простіше кажучи, коли зірка, маса якої більша, ніж вищезгадана, вичерпає всю свою енергію, вона почне випаровуватися. Як результат, у зірки утвориться нейтронна ревовина, що стане початком утворення нейтронної зірки. Цю межу було названо на честь індійського вченого Субраманьяна Чандрасекара, який власне і теоретично передбачив існування такої межі.
Незважаючи на те, що гравітація є низькою з усіх відомих видів взаємодії, вона завжди призводить до тяжіння і для великих зірок вона може досягати дуже значних значень. Під дією сил притягання речовина намагається зменшити свої розміри, що перешкоджає тиску, створюваному тепловим рухом. Для електронів речовини, які є ферміонами, тиск залишається кінцевим навіть при нульовій температурі. При високій щільності навіть ідеальний електронний газ вироджується. Тиск виродженого ідеального газу не залежить від температури. При дуже високій щільності електронної енергії, настільки великій, що електрони рухаються зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла, вироджений електронний газ стає релятивістським. Тиск релятивістського виродженого газу пропорційний кількості електронів, які він містить у ступені 4/3. Сили гравітаційного притягання пропорційні масі речовини і, отже, кількості електронів, які вона містить, у квадраті. Обидві величини також залежать від радіуса зірки. Таким чином, зі збільшенням маси зірки виникає стан, коли гравітаційне притягання починає домінувати під тиском газу Фермі електронів, що призводить до стиснення зірки. Це стиснення припиняється лише тоді, коли енергія електронів стає настільки важливою, що їм стає вигідніше поєднуватись з протонами ядер, що випромінюють нейтрино. Результатом, знову ж таки, є утворення нейтронних зірок.
2.3 Загальні властивості гравітації у Чорних дирах (за ЗТВ Ейнштейна)
Вивчаючи фундаментальні властивості матерії і простору-часу астрофізики, як зазначалося на початку, вважають дослідження чорних дір одним з найважливіших напрямків, оскільки поблизу чорних дір проявляються приховані властивості гравітації. Для поведінки речовини і випромінювання в слабких гравітаційних полях різні теорії тяжіння дають майже неможливі розрізненні прогнози, проте в сильних полях, характерних для чорних дір, передбачення різних теорій істотно розходяться, що дає ключ до виявлення кращої серед них. У рамках наразі найбільш популярної теорії гравітації - ЗТВ Ейнштейна - властивості чорних дірок вивчені досить докладно. Ось деякі найважливіші з них:
2.3.1 Течія часу
Поблизу чорної діри час тече повільніше, ніж далеко від неї. Якщо віддалений спостерігач кине в сторону чорної діри запалений ліхтар, то побачить, як ліхтар буде падати все швидше і швидше, але потім, наближаючись до поверхні Шварцшильда, почне сповільнюватися, а його світло буде тьмяніти і червоніти (оскільки сповільниться темп коливання всіх його атомів і молекул). З точки зору далекого спостерігача ліхтар практично зупиниться і стане невидимий, так і не зумівши перетнути поверхню чорної діри. Але якби спостерігач сам стрибнув туди разом з ліхтарем, то він за короткий час перетнув би поверхню Шварцшильда і впав до центру чорної діри, будучи при цьому розірваний її потужними приливними гравітаційними силами, що виникають через різницю тяжіння на різних відстанях від центру.
2.3.2 Повна маса, момент імпульсу, електричний заряд
Яким би складним не було вихідне тіло, після його стиснення в чорну діру зовнішній спостерігач може визначити тільки три його параметри: повну масу, момент імпульсу (пов'язаний з обертанням) і електричний заряд. Всі інші особливості тіла (форма, розподіл щільності, хімічний склад і т.д.) в ході колапсу "стираються". Для стороннього спостерігача структура чорної діри виглядає надзвичайно просто.
В процесі колапсу зірки в чорну діру за малу частку секунди (за години для віддаленого спостерігача) всі її зовнішні особливості, пов'язані з вихідною неоднорідністю, випромінюються у вигляді гравітаційних і електромагнітних хвиль. Новоутворена стаціонарна чорна діра "забуває" всю інформацію про вихідну зірки, крім трьох величин: повної маси, моменту імпульсу (пов'язаного з обертанням) і електричного заряду. Вивчаючи чорну діру, вже неможливо дізнатися, чи складалася вихідна зірка з речовини або антиречовини, чи була вона витягнутої або сплюсненої форми, тощо. У реальних астрофізичних умовах заряджена чорна діра буде притягувати до себе з міжзоряного середовища частинки протилежного знаку, і її заряд швидко стане нульовим. Стаціонарний об'єкт, що залишився або буде не обертаючим "шварцшільдівською чорною дірою", яка характеризується тільки масою, або обертим - "керрівською чорною дірою", яка характеризується масою і моментом імпульсу.
2.3.3 “Вихрове” поле тяжіння
Якщо вихідне тіло оберталося, то навколо чорної діри зберігається "вихрове" гравітаційне поле, яке захоплює все сусідні тіла в обертальний рух навколо неї. Поле тяжіння, яке обертається навколо чорної діри називають полем Керра. Цей ефект характерний не тільки для чорної діри, але для будь-якого тіла, що обертається, навіть для Землі. З цієї причини гіроскоп, розміщений на штучному супутнику Землі вільно обертається та відчуває повільну прецесію відносно далеких зірок. Поблизу Землі цей ефект ледь помітний, але поблизу чорної діри він виражений набагато сильніше: за швидкістю прецесії гіроскопа можна виміряти момент імпульсу чорної діри, хоча сама вона непомітна.
Чим ближче ми підходимо до горизонту подій чорної діри, тим сильніше стає ефект захоплення "вихровим полем". Перш ніж досягти горизонту, ми опинимося на поверхні чорної діри, де захоплення стає настільки сильним, що жоден спостерігач не може залишатися нерухомим щодо далеких зірок. На цій поверхні (яку також називають межею статичності) і всередині неї всі об'єкти повинні рухатися по орбіті навколо чорної діри в тому ж напрямку, в якому обертається сама діра, незалежно від того, яку потужність розвивають реактивні двигуни космічного корабля спостерігача, він усередині межі статичності ніколи не зможе зупинити свій обертальний рух відносно далеких зірок.
Межа статичності усюди лежить поза горизонту і стикається з ним лише в двох точках, там, де вони обидва перетинаються з віссю обертання чорної діри. Область простору-часу, що розташована між горизонтом подій і межею статичності, називається ергосфера. Об'єкт, що потрапив в ергосферу, ще може вирватися назовні. Тому, хоча чорна діра "все з'їдає і нічого не відпускає", проте можливий обмін енергією між нею і зовнішнім простором. Наприклад, частки та кванти, що пролітають через ергосферу можуть зпіввідносити енергію її обертання.
2.3.4 Сингулярність
Вся речовина всередині горизонту подій чорної діри неодмінно падає до її центру і утворює сингулярність з нескінченно великою щільністю. Астрофізик Стівен Хоккінг визначає сингулярність як "місце, де руйнується класична концепція простору і часу так само, як і всі відомі закони фізики, оскільки всі вони формулюються на основі класичного простору-часу".
Радіус Шварцшильда (розміри чорної діри)
Радіусом Шварцшильда (гравітаційним) називають такий мінімальний радіус, при якому масивне тіло під впливом своєї сили тяжіння стає чорною дірою. Конкретніше, це радіус горизонта подій чорної діри, з якого не може вирватися світло. Цей радіус обчислюється за формулою R = 2GM / с2, де G - гравітаційна стала, М - маса тіла, а с - швидкість світла. Для Сонця радіус Шварцшильда дорівнює приблизно 3 км, для Землі - близько 1 см. Виняток становлять нейтронні зірки, гіпотетичні бозонні і кваркові зірки. Наприклад, для типової нейтронної зірки радіус Шварцшильда складає близько 1/3 від її власного радіуса. Це обумовлює важливість ефектів загальної теорії відносності при вивченні таких об'єктів. Гравітаційний радіус об'єкта з масою спостерігаємого Всесвіту був би рівний приблизно 10 мільярдам світлових років. Був названий на честь німецького астронома Карла Шварцшильда.
2.4.1 Властивості радіуса Шварцшильда
За величиною гравітаційний радіус збігається з радіусом сферично-симетричного тіла, для якого в класичній механіці друга космічна швидкість на поверхні дорівнює швидкості світла. Це є наслідком того, що класична механіка і н’ютонівстька теорія тяжіння містяться в загальній теорії відносності як її граничний випадок. На важливість цієї величини вперше звернув увагу Джон Мічелл в своєму листі до Генрі Кавендишу.
З досить масивними зірками (з масою більше двох-трьох сонячних мас) в кінці їх еволюції може відбуватися процес, названий релятивістським гравітаційним колапсом: якщо, вичерпавши ядерну енергію, зірка не вибухає і не втрачає масу, то, відчуваючи релятивістський гравітаційний колапс, вона може стиснутися до розмірів гравітаційного радіуса. При гравітаційному колапсі зірки до сфери R назовні не може виходити ніяке випромінювання або частинки. З точки зору зовнішнього спостерігача, що знаходиться далеко від зірки, з наближенням розмірів зірки до R власний час частинок зірки необмежено уповільнює темп своєї течії. Для такого спостерігача радіус зірки, що колапсує, наближається до гравітаційного радіусу асимптотично, ніколи не стаючи рівним йому. Однак, можна вказати момент, починаючи з якого зовнішній спостерігач вже не буде бачити зірку і не зможе дізнатися будь-яку інформацію щодо неї. Так що з цього моменту вся інформація, що міститься в зірці, фактично буде втрачена для зовнішнього спостерігача. Сфера радіуса R збігається з горизонтом подій необертаючої чорної діри. Для обертаючої чорної діри горизонт подій має форму еліпсоїда, і гравітаційний радіус дає повне уявлення про його його розміри. Шварцшильда для надмасивної чорної діри в центрі Чумацького шляху дорівнює приблизно 16 мільйонам кілометрів.
Шварцшильдський радіус об'єкта, що має супутники, у багатьох випадках може бути визначений за набагато більш високою точністю, ніж маса цього об'єкта. Цей парадоксальний факт пов'язаний з тим, що при переході від виміряного періоду обертання супутника T і великої піввісі його орбіти a (ці величини можна виміряти з дуже високою точністю) до маси центрального тіла M необхідно розділити гравітаційний параметр об 'єкта μ = GM =π2a3/T2 на гравітаційну постійну G, яка відома з набагато гіршою точністю (приблизно 1 до 7000), ніж точність більшості інших фундаментальних констант. У той же час гравітаційний радіус радіус дорівнює, з точністю до коефіцієнта 2/с2, гравітаційному параметру об'єкта: , причому, наразі швидкість світла є доцільно виміряною з мінімальною погрішністю.
3. ЖИТТЄВИЙ ЦИКЛ ЗІРКИ => ЧОРНА ДІРА
3.1 Життєвий цикл зірок
Зірки, очевидно, можуть бути новонародженими, молодими і старими. Кожної миті вмирають одні зірки і утворюються інші. Зазвичай наймолодші з них схожі на наше Сонце. Вони перебувають на стадії формування і фактично являють собою протозірку. Астрономи називають їх зірками типу Т (Тельця), по імені свого прототипу. За своїми властивостями – наприклад, світності – протозірки є змінними, оскільки їх існування ще не увійшло в стабільну фазу.
Після того як всередині зірки вичерпуються запаси водню, приходять серйозні зміни. Залишки водню починають згоряти не всередині її ядра, а на поверхні. При цьому все більше скорочується час життя зірки. Цикл зірок, принаймні, більшості з них, на цьому відрізку переходить у стадію червоного гіганта або супергіганта (в залежності від розмірів зірки). Розмір зірки стає більше, а її температура – навпаки, менше. Цей процес входить до складу загальної послідовності змін, що відбуваються з зірками. Ці самі зміни вчені назвали життєвим циклом зірок. Цикл життя зірки включає всі її стадії: в кінцевому рахунку всі зірки старіють і вмирають, а тривалість їх існування безпосередньо визначається кількістю “палива”. Великі зірки закінчують своє життя величезним, ефектним вибухом. Більш скромні, навпаки, гинуть, поступово стискаючись до розмірів білих карликів. Потім вони просто згасають. Скільки часу живе середня зірка? Життєвий цикл зірки може тривати від менш 15 млн років і до 1 млрд років і більше. Все це, як було сказано, залежить від її складу і розмірів. Зірки, подібні Сонцю, живуть від 10 до 16 млрд років. Дуже яскраві зірки, на зразок Сіріуса, живуть відносно недовго – лише кілька сотень мільйонів років. Схема життєвого циклу зірки включає в себе наступні етапи. Це молекулярне хмара – гравітаційний колапс хмари – народження наднової зірки – еволюція протозірок – закінчення протозоряній фази. Потім випливають етапи: початок стадії молодої зірки – середина життя – зрілість – стадія червоного гіганта – планетарна туманність – етап білого карлика, а ось якщо брати у приклад супергігантів,то для них цикл закінчується утворенням супернової, а вже з неї – чорної діри або нейтронної зірки(в залежності від складу(мал.4)) .
Мал.4 “Схема – “Життєвий цикл зірки””
3.2 Випаровування чорних дір
Випаровування чорної діри - це квантовий процес. Справа в тому, що поняття чорної діри як об'єкта, що нічого не випромінює, окрім здатності поглинати лише матерію, є дійсним до тих пір, поки не будуть враховані квантові ефекти. У квантовій механіці тунелювання долає потенційні перешкоди, які є непереможними для не квантової системи. Твердження про те, що остаточний стан чорної діри є нерухомим, справедливо лише у звичайній неквантній теорії гравітації. Квантові ефекти призводять до того, що чорна діра насправді повинна випромінюватись постійно, втрачаючи енергію. У випадку з чорною дірою ситуація така. У квантовій теорії поля фізична порожнеча заповнюється постійним генеруванням і зникаючими коливаннями в різних полях. У галузі зовнішніх сил динаміка цих коливань змінюється, і якщо сили досить великі, пари частинок і античастинок можуть генеруватися безпосередньо з вакууму. Такі процеси відбуваються також поблизу горизонту подій чорної діри. У цьому випадку можливо, що одна з частинок (незалежно від того, яка) потрапляє в чорну діру, а інша відлітає і є доступною для спостереження. Згідно із Законом про енергозбереження, це «падіння» за горизонт події повинно включати негативну частину віртуальної частинки, оскільки «летяча» частинка, доступна віддаленому спостерігачеві, має позитивна енергія. Цей процес можна також дуже грубо описати як «заряд» енергії за допомогою вакууму у зовнішньому полі для утворення пари частинок і античастинок. За відсутності чорної діри руйнування "відправляє" енергію назад у поле. У цьому випадку за наявності чорної діри не відбувається руйнування, одна з частинок летить у бік спостерігача, який видаляє частину «зайнятої» енергії, зменшуючи таким чином енергію і, отже, вагу чорна діра. Постійне гравітаційне поле повинно бути неоднорідним, щоб утворювати частинки і пари частинок. Пари частинок і античастинок можуть народитися лише через припливи. Енергія, необхідна одній частці з виниклої пари для того, щоб піти геть, виникає за рахунок поглинання іншої частинки чорною дірою. Важливим є не тільки факт, що передбачає випромінювання, але і те, що це випромінювання має тепловий спектр (для безмасових частинок). Це означає, що випромінюванню поблизу горизонту подій чорної діри можна зіставити певну температуру.3.2.1 Випромінювання Хоккінга
Випромінювання Хокінга - гіпотетичний процес випромінювання чорною дірою різних елементарних частинок, включаючи фотони; названий на честь Стівена Хокінга. Наразі є головним аргументом вчених щодо розпаду (випаровування) невеликих чорних дір, які теоретично можуть статися в експериментах на ВАК (Великому адронному колайдері). На цьому ефекті базується ідея автономного реактора - електростанція з чорною дірою завдяки випромінюванню Хокінга.
Крапку в суперечці про існування ефекту повинні були б поставити спостереження, проте температури, відомі астрономам, чорних дір занадто малі, щоб випромінювання від них можна було б зафіксувати - маси дір занадто великі. Тому до сих пір гіпотеза не підтверджена спостереженнями.
Відповідно до загальної теорії відносності, при утворенні Всесвіту могли б зароджуватися первинні чорні діри, деякі з яких (з початковою масою кг) повинні були б закінчувати випаровуватися в наш час. Так як інтенсивність останніх Пока таких взривов зареєстровано не було. Так як інтенсивність випаровування зростає зі зменшенням розміру чорної діри, то останні стадії повинні бути, по суті, вибухом чорної діри. Поки таких вибухів зареєстровано не було.
Відомо про спробу дослідження «випромінювання Хокінга» на основі моделі - аналога горизонту подій для білої діри, в ході фізичного експерименту, проведеного дослідниками з Міланського університету, а у 2014 було проведено іспит по дослідженню випромінювання Хокінга на основі звукових хвиль.
4. ПОРІВНЯЛЬНА ТАБЛИЦЯ РІЗНИХ ВИДІВ ЧОРНИХ ДІР
| Надмасивні чорні діри | Являються наслідком “росту” чорних дір малого розміру, тобто, виходячи з назви, це дуже великі об’єкти, у рамках галактик, бо саме чорні діри таких масивних розмірів слугують центрами галактик, у тому числі й чорна діра в центрі нашої галактики. У данний час є єдині чорні діри, у існування яких вчені твердо вірять. | Кассіопея - 109 сонячних мас, порівняно з іншими чорними дірами, вона видається “малою”, та знаходиться у 300 мільйонах світових років від нас. Андромеда, схожа на неї, важча за неї у 10 сонячних мас, являється центром радіогалактики, тобто радіовипромінювання цієї діри набагато більше ніж у інших. |
| Первинні чорні діри | Знову ж таки, вони входять до числа тих чорних дір, у існуванні яких вчені ще не до кінця впевнені, хоч теоретично такі види існувати все ж таки можуть. Наразі вони передбачені як наслідок такої ж гіпотези, щодо виникнення Всесвіту – “Теорії Великого вибуху”. | Носять статус теорії, їх існування ще поки можливе за рівняннями Ейнштейна, але конкретних прикладів виявлено ще не було. |
| Квантові чорні діри | Враховуючи класичну теорію гравітації, можна сказати що вони являються “наслідками” вищезгаданого випаровування чорних дір, тобто з точки зору поверхневого ознайомлення з чорними дірами, їх можна назвати “мікроскопічними”, порівняно з іншими об’єктами у Всесвіті. | Так звана “Планківська чорна діра” може мати масу навіть від 10-5г, що без перебільшення являється одним з наймешних можливих об’єктів, згідно міркам космосу. Теоретично її існування було доведене на Великому адронному колайдері, але знову ж таки, перевірити це наочно неможливо. |
Звичайно ж існує багато інших видів чорних дір, бо з кожним днем вчені помічають якісь відхилення від раніше теоретично обумовлених властивостях чорних дір, і звісно, з’являються нові види, які поки що носять статус маловірогідних теорій, бо їх одні з їх основних властивостей ще не були практично доведені, саме тому їх не було включено до таблиці.
Таблиця обчисленних гравітаційних радіусів для дір різних мас
| Маса чорної діри | Шварцшільдівський радіус (радіус горизонту подій) |
| 10 тон | 13*10-15 ангстрем |
| 106 тон | 13*10-9 ангстрем |
| 1012 тон | 13*10-3 ангстрем |
| 1015 тон | 13 ангстрем |
| 1 маса Землі | 0,8 см |
| 1 маса Юпітера | 2,8 м |
| 1 маса Сонця | 3 км |
| 2 маси Сонця | 6 км |
| 3 маси Сонця | 9 км |
| 5 мас Сонця | 15 км |
| 10 мас Сонця | 30 км |
| 50 мас Сонця | 150 км |
| 100 мас Сонця | 300 км |
| 103 мас Сонця | 3*103 км |
| 106 мас Сонця | 10 світлових секунд |
| 109 мас Сонця | 2,8 світлових хвилин |
| 1012 мас Сонця | 117 світлових днів |
| 1015 мас Сонця | 320 світлових днів |
Примітка* : Ангстрем – вже застаріла одиниця вимірювання довжини, яка дорівнює 10-10 метрів, вона була використана для наглядності того, наскільки малий радіус Шварцшильда для дір з маленькою масою.
Всі подані гравітаційні радіуси були зроблені у ході обчислень за загально прийнятою формулою радуіуса Шварцшильда:
д
е G – гравітаційна стала Кавендіша, M – маса чорної діри, с – швидкість світлаВИСНОВКИ
Отже, як показала ця робота, вивчення чорних дір на сьогоднішній момент являється пріорітетним та невід’ємним рушієм наукового прогресу. Без вивчення такого розділу астрофізики, як “чорні діри”, людство до сих пір не дізналося б навіть і краплини з океану на сьогоднішній день відомих нам знань не тільки у цій сфері, а й у всіх інших.
Саме дослідження всього, що пов’язане з чорними дірами, відкриває перед нами низку необмежених можливостей. Досліджуючи більш детально їх властивості, ми робимо можливим те, що у недалекекому минулому, було для нас не те, що неможливим, ми про існування такого навіть і не здогадувались. Чи це не прогрес? Я вважаю, що це саме так.
Що дає більш детальне вивчення чорних дір? Якщо навіть пофантазувати, то не є виключенням, що у майбутньому науковий прогрес сягне тієї самої позначки, коли людина зможе подорожувати у дуже далекий космос. Складно навіть й уявити, яке враження у такому випадку справить, наприклад, та ж сама чорна діра у центрі нашої галактики, яка без перебільшення являється однією з найбільших нами знайдених чорних дір за весь час досліджень. Хоч ми й бачимо її зараз такою, якою вона була поняд 200 мільйонів років тому, ми все одно прагнемо хоч на крок приблизитись до розгадки її беззаперечно загадкового виникнення.
Отже, завершуючи та підсумовуючи все вищесказане, хотілося б відмітити своє враження від зробленої роботи : мені дуже сподобалося досліджувати та порівнювати таке зрозуміле, та водночас незрозуміле людству явище, як чорні діри.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІї
ІНТЕРНЕТ-РЕСУРСИ:
https://uk.wikipedia.org/wiki/Чорна_діра
https://www.nasa.gov/subject/6895/black-holes
https://v-kosmose.com/chernyie-dyiryi-v-kosmose/
https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes
https://www.sciencealert.com/black-holes
https://thealphacentauri.net/pervoe-foto-chernoy-dyry-m87/
https://www.bbc.com/russian/science/2015/07/150706_vert_ear_black_hole_clones_you
https://scitechdaily.com/are-black-holes-made-of-dark-energy-error-made-when-applying-einsteins-equations-to-model-growth-of-the-universe/
https://www.space.com/where-do-black-holes-lead.html