МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ
ГОУ ВПО
УФИМСЬКИЙ ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ЕКОНОМІКИ ТА СЕРВІСУ
Кафедра «Фізики»
Контрольна робота
з дисципліни:
Концепції сучасного природознавства
на тему:
«Чорні дірки»
Виконала:
Суфіярова А.Ф.
УФА - 2008
Зміст
Введення
1.Структура чорної діри
2. Випромінювання чорної діри
3. Еволюція зірок
Висновок
Список використаної літератури
Введення
У наш час важко знайти людину, яка не чула б про чорні діри. Разом з тим, мабуть, не менш важко відшукати того, хто зміг би пояснити, що це таке. Втім, для фахівців чорні діри вже перестали бути фантастикою - астрономічні спостереження давно довели існування як «малих» чорних дір (з масою порядку сонячної), які утворилися в результаті гравітаційного стиснення зірок, так і надмасивних (до 10 9 мас Сонця), які породив колапс цілих зоряних скупчень в центрах багатьох галактик, включаючи нашу. В даний час мікроскопічні чорні діри шукають в потоках космічних променів надвисоких енергій (міжнародна лабораторія Pierre Auger, Аргентина) і навіть припускають «налагодити їх виробництво» на Великому адронному коллайдері (LHC). Проте справжня роль чорних дір, їх «призначення» для Всесвіту, знаходиться далеко за рамками астрономії і фізики елементарних частинок. При їх вивченні дослідники глибоко просунулися в науковому розумінні перш суто філософських питань - що є простір і час, чи існують межі пізнання Природи, яка зв'язок між матерією та інформацією.
Термін «чорна діра» був запропонований Дж. Вілером в 1967 році, однак перші прогнози існування тел настільки масивних, що навіть світло не може їх покинути, датуються XVIII століттям і належать Дж. Мітчеллу і П. Лапласа. Їх розрахунки грунтувалися на теорії тяжіння Ньютона і корпускулярну природу світла.
1. Структура чорної діри
Далеко від чорної діри простір-час майже плоске, і там світлові промені поширюються прямолінійно. Це - важливий факт. Промені світла, що проходять ближче до чорної діри, відхиляються на більш значні кути. Коли світло поширюється через область простору-часу з більшою кривизною, його світова лінія стає все більш викривленою. Можна навіть направити промінь світла точно в такому напрямку щодо чорної діри, щоб цей світ виявився спійманий на кругову орбіту навколо діри. Ця сфера навколо чорної діри іноді називається «фотонної сферою» або - фотонної окружністю »; вона утворена світлом, оббігали навколо чорної діри по всіляких кругових орбітах. Кожна зірка у Всесвіті посилає хоч трохи світла саме на таку відстань від чорної діри, що це світло захоплюється на фотонну сферу.
Слід пам'ятати, що ці кругові орбіти на фотонної сфері надзвичайно нестійкі. Щоб зрозуміти сенс цього твердження, уявімо собі майже кругову орбіту Землі навколо Сонця. Орбіта Землі стійка. Якщо Землю злегка штовхнути, то не станеться нічого особливого. Однак якщо промінь світла хоч трохи відхилиться від свого ідеального кругового шляху на фотонної сфері, то він дуже швидко піде по спіралі або всередину чорної діри, або назад в космічний простір. Саме нікчемне обурення, куди б воно не було спрямовано - всередину або назовні, відводить світло з фотонної сфери. Саме в цьому сенсі говорять про нестійкість всіх кругових орбіт на фотонної сфері.
Нарешті, ті промені світла, які націлені майже прямо на чорну діру, «всмоктуються» в неї. Такі промені назавжди йдуть із зовнішнього світу чорна діра їх буквально поглинає.
Представлений тут сценарій описує поведінку найпростішого з можливих типів чорних дір. У 1916 р., всього через кілька місяців після того, як Ейнштейн опублікував свої рівняння гравітаційного поля, німецький астроном Карл Шварцшильд знайшов їх точне рішення, яке, як виявилося згодом, описує геометрію простору-часу поблизу ідеальної чорної діри. Це рішення Шварцшильда описує сферично симетричну чорну дірку, що характеризується тільки масою. Породила цю чорну діру гіпотетична вмираюча зірка повинна не обертатися і бути позбавленою як електричного заряду, так і магнітного поля. Речовина такий вмираючої зірки падає по радіусу «вниз» до центру зірки, і кажуть, що вийшла, чорна діра має сферичної симетрією. Якби чорна діра виникала при колапсі обертається зірки, то в неї було б якесь «привілейоване» напрям, а саме діра мала б віссю обертання. Рішення Шварцшильда вільно від подібних ускладнень. Така шварцшільдовская чорна діра представляє собою найпростіший з усіх можливих типів чорної діри. Ми обмежимося розглядом лише цього простого випадку. Наступні глави будуть присвячені електрично зарядженим і обертовим чорних дірок.
Зрозуміти природу шварцшільдовской чорної діри можна, розглядаючи масивну (але не обертається і не має заряду) вмираючу зірку в процесі гравітаційного колапсу. Нехай хтось стоїть на поверхні такої вмираючої зірки, в якої тільки що вичерпалося ядерне паливо. Безпосередньо перед початком колапсу наш спостерігач бере потужний прожектор і направляє його промені в різні боки. Так як речовина зірки поки розподілено в досить великому обсязі простору, гравітаційне поле біля поверхні зірки залишається досить слабким. Тому промінь прожектора поширюється прямолінійно або майже прямолінійно. Однак після початку колапсу речовина зірки стискається в усі меншому і меншому обсязі. У міру зменшення розмірів зірки тяжіння у її поверхні зростає все більше і більше. Збільшення кривизни простору-часу призводить до відхилення світлового променя від колишнього прямолінійного поширення. Спочатку промені, які виходять з прожектора під малим кутом до горизонту, відхиляються вниз до поверхні зірки. Але надалі, в міру розвитку колапсу, нашому дослідникові доводиться направляти промені вгору все ближче до вертикалі, щоб вони могли назавжди піти від зірки. Зрештою, на деякій критичній стадії колапсу дослідник виявить, що вже ніякої промінь не в змозі піти від зірки. Як би наш дослідник ні направляв свій прожектор, його промінь все одно змінює свій напрямок так, що знову падає вниз, на зірку. Тоді кажуть, що зірка пройшла свій горизонт подій. Ніщо, опинившись за горизонтом подій, не може вийти назовні, навіть світло. Дослідник включає свій радіопередавач і виявляє, що він нічого не може передати залишилися зовні, оскільки радіохвилі не здатні вирватися за обрій подій. Наш дослідник буквально зникає з зовнішньої Всесвіту.
Термін «горизонт подій» - дуже вдала назва для тієї поверхні в просторі-часу, з якою ніщо не може вибратися. Це справді «обрій», за яким всі «події» пропадають з поля зору. Іноді горизонт подій, що оточує чорну діру, називають її поверхнею.
Знаючи рішення Шварцшильда, можна розрахувати положення горизонту подій, що оточує чорну діру. Наприклад, поперечник сфери горизонту подій чорної діри з масою, рівною 10 сонячних мас, становить близько 60 км. Як тільки вмираюча зірка з масою в 10 сонячних мас стиснеться до поперечника в 60 км, простір-час настільки сильно скривився, що навколо зірки виникне горизонт подій. У результаті зірка зникне.
У момент, коли вмираюча зірка піде за свій горизонт подій, її розміри ще досить великі, але ніякі фізичні сили вже не зможуть зупинити її подальше стиснення. І зірка в цілому продовжує стискатися, поки, нарешті, не припинить своє існування в точці в центрі чорної діри. У цій точці нескінченно тиск, нескінченна щільність і нескінченна кривизна простору-часу. Це «місце» в просторі-часу іменується сингулярність.
Перш за все, чорну діру оточує фотонна сфера, що складається з променів світла, що рухаються по нестійким кругових орбітах. Усередині фотонної сфери знаходиться горизонт подій - однобічно пропускає поверхню в просторі-часу, з якою ніщо не може вирватися. Нарешті, в центрі чорної діри знаходиться сингулярність. Все те, що провалюється крізь горизонт подій, засмоктується в сингулярність, де воно під дією нескінченно сильно викривленого простору-часу припиняє своє існування. Після того як вмираюча зірка заходить за свою фотонну сферу і наближається до горизонту подій, від неї в навколишнє Всесвіт може вирватися все менше і менше світлових променів. У міру наближення катастрофічного колапсу масивної зірки до його неминучого кінця, променям світла з поверхні зірки стає все важче і важче піти назавжди від зірки.
З наближенням поверхні зірки до горизонту подій її яскравість зменшується з неймовірною швидкістю. Через всього 1 / 1000 с після початку гравітаційного колапсу конус виходу стає настільки вузьким, що лише одна квадрильйона (10 ~ 15!) Світла зірки може вислизнути під зовнішню Всесвіт. Всього мить і колишня яскрава зірка стає майже абсолютно чорною.
Одночасно з швидким ослабленням яскравості вмираючої зірки вступає в гру й інший важливий ефект. Тяжіння викликає уповільнення течії часу. Цей ефект іменується гравітаційним червоним зміщенням бо світло, яке випромінюється атомами, зануреними в гравітаційне поле, «зміщується» у бік більш довгих хвиль. Тому в ході посилення гравітаційного поля поблизу зірки в процесі її колапсу світло, що випромінюється атомами на поверхні цієї зірки, відчуває все більше і більше червоний зсув. Тому для спостерігає її з боку астронома коллапсірующая зірка стає одночасно і слабкою, і випромінюючої світло все більш довгих (більше «червоних») хвиль.
2.Ізлученіе чорної діри
Чорна діра народжує частинки. Порівняно великі чорні діри масою в декілька сонячних мають настільки низькою температурою, що можуть робити тільки «безмасові» частинки - частки, завжди летять зі швидкістю світла і не мають власної маси спокою. До них, належать фотони, електронні та Мюонні нейтрино, їх античастинки і, нарешті, ще Гравітон - кванти гравітаційних хвиль. Чорна діра масою, типовою для зірок, народжує особливо багато нейтрино (81% усього потоку) всіх сортів, потім фотонів (17%) і гравітонів (2%) (рис. 8). Той факт, що різні частинки випромінюються в різних кількостях, пояснюється різницею їхніх властивостей. Нейтрино випускається більше за все, тому що їх внутрішній кутовий момент (спін) мінімальний (1 / г), а гравітонів менше за все, так як їх спін максимальний (2).
Чорні діри малої маси мають велику температуру. Так, температура чорних дір масою, меншою; жовтня 1917 -10 16 г, вище 10 9 -10 10 К. Ці чорні діри породжують, крім перерахованих частинок, електронно-позитронні пари. Зауважимо, що розміри таких чорних дір становлять всього 10 11 см (у 1000 разів менше розміру атома).
Ще менші чорні діри масою <5 • 10 14 г здатні випромінювати мюони і важчі елементарні частинки. Чорна діра масою 10 14 г випромінює 12% важких частинок і античастинок, 28% електронів і позитронів,. 48% нейтрино всіх сортів, 11% фотонів і 1% гравітонів (розмір цих чорних дір менше атомного ядра).
Особливу важливість квантові процеси набувають для первинних чорних дірок. Якщо на початку розширення Всесвіту, коли речовина була щільним, утворилися чорні діри масою, меншою 10 15 г, то всі вони повинні до нашого часу випаруватися. З цієї причини процес, відкритий Хоукінга, має дуже важливе значення для космології. Процес випаровування первинних чорних дір веде до випромінювання високочастотних фотонів - гамма-випромінювання. Так, чорні діри масою близько 10 15 г повинні випромінювати кванти з енергією близько 100 МеВ.
Спостереження таких квантів, що приходять з космосу, в принципі могло б допомогти виявленню первинних чорних дірок. Поки ж вони не виявлені, і можна тільки сказати, що кількість чорних дір масою близько 10 15 г у Всесвіті має бути в середньому не більше, ніж десять тисяч на кожен кубічний парсек. Якби їх було більше, то загальна кількість гамма-квантів, з енергією близько 100 МеВ було б більше спостерігається зараз потоку гамма-квантів з космосу.
3.Еволюція зірочок
Зоряні рештки можуть бути трьох різновидів: це білі карлики, нейтронні зірки і чорні діри.
Природа білих карликів як «мертвих» зірок стала досить ясна після піонерської роботи С. Чандрасекара на початку 1930-х років. Та термоядерна «піч», яка підтримує структуру звичайних зірок, не може бути причиною стійкості зовнішніх шарів у білих карликів просто тому, що в них вже вичерпано всі пальне. Для розуміння того, що ж підтримує структуру білого карлика, розглянемо речовина в серцевині колапсуючої, вмираючої зірки. У міру стиснення зірки тиску і щільності стають настільки великі, що всі атоми повністю «роздавлюються». У результаті виходить море вільних електронів, у якому як би «плавають» ядра. Електрони мають спіном, або власним «обертанням», внаслідок чого їх поведінка підкоряється важливого закону природи, що зветься у фізиці принципом заборони Паулі. Згідно з цим забороні, два електрони одночасно не можуть займати одне і те ж місце, якщо їх швидкості і спини однакові. У міру стиснення вмираючої зірки електрони зазнають тиску до такої міри, що врешті-решт виявляються заповненими всі вакансії можливого розташування і швидкостей електронів. Як тільки це сталося, електрони починають з великою силою діяти один на одного, чинячи опір подальшому стисненню вмираючої зірки. Таким чином, виникає тиск вироджених електронів, що запобігає необмежену стиснення (колапс) білого карлика.
Білі карлики відомі астрономам вже протягом багатьох років. Ці зірки настільки звичайні, що до недавніх пір всі вважали їх кінцевим станом усіх вмираючих зірок.
Виконавши докладні розрахунки структури білих карликів, Чандрасекар прийшов до цікавого відкриття: для маси білого карлика існує сувора верхня межа. Тиск вироджених електронів здатне підтримувати речовина мертвої зірки лише в тому випадку, якщо її маса не перевищує приблизно 1,25 маси Сонця. Якщо ж маса вмираючої зірки істотно більше 1,25 сонячною, то навіть потужних сил між виродженими електронами недостатньо для того, щоб протистояти нищівного тиску верхніх шарів зірки. Цей критичний межа маси - близько 1,25 маси Сонця-називається межею Чандрасекара.
Так як білі карлики є вельми звичайними і так як не було відомо інших типів «мертвих» зірок, то астрономи вважали, що всі вмираючі зірки примудряються так чи інакше скинути достатню кількість речовини, щоб їх маси опинилися в межах маси Чандрасекара і дали нейтрони. Коли, нарешті, вся зірка майже цілком перетвориться на нейтрони, знову почне відігравати важливу роль принцип заборони Паулі. Сили між нейтронами викличуть появу тиску вироджених нейтронів. Це нова, ще більш могутнє тиск здатний зупинити стиснення і веде до появи зоряного тіла нового типу - нейтронної зірки.
Ще через п'ять років, в 1939 р., Ю.Р. Оппенгеймер і Г. Волков опублікували великі обчислення, доводять плідність цих міркувань. Але так як ніхто ніколи не спостерігав нейтронних зірок, ці пророчі ідеї не знайшли підходящої грунту. По суті справи астрономи просто не знали, де і як їм шукати нейтронні зірки.
У 1054 р. н. е.. астрономи Стародавнього Китаю відзначили появу на небі «зірки-гості» в сузір'ї Тельця. Яскравість цієї нової зірки була настільки велика, що її можна було бачити без праці в сонячний день, Потім вона стала слабшати і незабаром зовсім зникла з виду.
Коли сучасні астрономи направили свої телескопи на те місце неба, де, за давніми записами, з'явилася «зірка-гостя", вони виявили чудову Крабовидную туманність. Крабоподібна туманність є прекрасним прикладом залишку вибуху наднової, а древнекитайским астрономам настільки пощастило, що вони побачили вмираючу зірку, коли вона скидала свою атмосферу.
У кінці 1968 р. астрономів чекала нова радість: був виявлений пульсар, який знаходиться точно посередині Крабовидної туманності. Цей пульсар, відомий як NP 0532, - самий швидко пульсуючий з усіх пульсарів. Імпульси радіовипромінювання приходять від нього по 30 разів за секунду. Це відкриття дало астрономам привід для підозр, що вмирають зірки можуть мати якийсь стосунок до пульсара. Безпосередні розрахунки показали, що білі карлики не здатні давати тридцять імпульсів радіошумів в секунду. Прийшла пора воскресити ідеї Бааде, Цвіккі, Оппенгеймера і Волкова.
Усі зірки обертаються і всі вони, ймовірно, мають магнітними полями. У звичайних умовах обидва ці властивості досить несуттєві. Наприклад, Сонце робить один оборот навколо своєї осі приблизно за місяць. Його магнітне поле до того ж досить слабке. У середньому у Сонця магнітне поле має приблизно таку ж напруженість, як і в Землі. Однак якщо Сонце або подібна йому зірка стане стискатися до розмірів нейтронної зірки, то обидва зазначених властивості придбають виключно важливе значення. Щоб зрозуміти причини цього, уявімо собі фігуристку, що робить пірует на льоду. Це - прямий наслідок фундаментального закону фізики, відомого як закон збереження моменту кількості руху. Подібним же чином якщо велика зірка, розміром з Сонце, стискається до малого обсягу, то швидкість її обертання стрімко зростає. Тому астрономи вважають, що нейтронні зірки дуже швидко обертаються, ймовірно, швидше, ніж оборот за секунду.
Коли зірка дуже велика, її магнітне поле розподілено по багатьом мільйонам квадратних кілометрів її поверхні. Напруженість магнітного поля в усіх точках поверхні досить невелика. Однак, вмираючи, зірка зменшується в розмірах. Те магнітне поле, яке спочатку було розподілено на великій площі, зосереджується на декількох сотнях квадратних кілометрів. При скороченні площі, займаної магнітним полем, його напруженість теж стрімко зростає. Якщо б зірка начебто Сонця стиснулася до розмірів нейтронної зірки, то напруженість її магнітного поля збільшилася б приблизно в мільярд разів!
У астрономів, які займають проблемами нейтронних зірок, є вагомі підстави вважати, що ці зірки швидко обертаються навколо осі і володіють потужними магнітними полями.
Не може існувати нейтронних зірок з масою більше приблизно 2,25 сонячної! Вище цього критичної межі тиск вироджених нейтронів у свою чергу виявляється недостатнім, щоб підтримати вмираючу зірку.
Спостереження подвійних зірок свідчать про те, що у Всесвіті існують зірки з масами до 40 або 50 сонячних. Розрахунки процесів еволюції зірок говорять про те, що масивні зірки старіють дуже швидко. Припустимо, що вмираюча масивна зірка не викине все зайве речовина в космічний простір спалахнувши як наднова, нехай тому що залишилася від зірки мертва серцевина володіє масою більше 3 сонячних мас. Така зірка не може стати білим карликом, так як її маса значно перевищує межу Чандрасекара. Така зірка не може стати і пульсаром, бо її маса занадто велика, щоб її могло витримати тиск виродженого нейтронного газу. Помираючи, зірка, мертва серцевина якої містить речовини більше 3 сонячних мас просто стає менше і менше. Спрямована всередину нищівна сила ваги мільярдів тонн речовини не може зустріти гідного опору. У міру стиснення зірки напруженість гравітаційного поля навколо неї стає все більше. У ході триваючого стиснення наростає викривлення простору-часу. Нарешті, коли зірка стиснеться до поперечника у кілька кілометрів, простір-час «згорнеться» і зірка зникне, а те, що залишиться, називається чорною дірою.
Висновок
В останні роки наші уявлення про чорні діри помітно змінилися. Ще недавно ці об'єкти вважалися екзотичними. Тепер астрономи впевнені, що Всесвіт рясніє чорними дірами. За розрахунками вчених, їх не менше 400 мільйонів. Парадоксально, але факт: майже половина всього світла у Всесвіті породжена самими похмурими космічними об'єктами - чорними дірами. Вони перетворять речовину в енергію світла ефективніше, ніж будь-яка зірка.
Однак механізм колапсу разюче нагадує схему формування чорної діри. Коли зірка «вигорає», її руїни під дією власної ваги стискаються. На місці зірки утворюється неймовірно щільний об'єкт - чорна діра. Навіть світло не повинен вирватися з її надр. У той же час лише на її прикладі можна вивчати процеси, які передували Великому Вибуху і привели до народження нового Всесвіту. Чорна діра - їх жива модель, яка замінює космологам складні математичні формули, якими вони описують Великий Вибух.
Складніше стає і уявлення про чорні діри. Астрономи навчилися розрізняти в цих згустках мороку кілька різновидів:
* Мініатюрні чорні діри діаметром кілька кілометрів, вони утворюються при колапсі зірки, і їх маса незначно перевищує масу Сонця;
* Чорні діри середніх розмірів; вони утворюються при злитті мініатюрних чорних дірок, і їх маса в10 - 100 тисяч разів перевищує масу Сонця;
* Надмасивні чорні діри, вони в мільйони, а то і в мільярди разів важча за Сонце; подібні прірви розверзаються в центрі галактик.
Будь-яка чорна діра здається настільки дивним об'єктом, що навіть уяву відмовляє нам, коли ми намагаємося подумки зазирнути в її надра, адже вона ні на що не схожа - ні на зірки, ні на комети.
Список використаної літератури
1. Вайнсберг С. Перші три хвилини. М.: Енергоіздат. 1981
2. Кауфман У. Космічні рубежі теорії відносності. М.: Мір.1981
3. Новіков І.Д. Чорні дірки у Всесвіті. М.: Знание. 1977
4. Новіков І.Д. Енергетика чорних дір. М.: Знание. 1986
5. Знання - сила / / Волков А. Прямуючи в чорну діру. Б.м. - 2005. - № 4 С.19 - 25
6. Наука і життя / / Нещастя К. Чорні діри Б.м. - 2005 - 2 № 12 С.2 - 9
ГОУ ВПО
УФИМСЬКИЙ ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ЕКОНОМІКИ ТА СЕРВІСУ
Кафедра «Фізики»
Контрольна робота
з дисципліни:
Концепції сучасного природознавства
на тему:
«Чорні дірки»
Виконала:
Суфіярова А.Ф.
УФА - 2008
Зміст
Введення
1.Структура чорної діри
2. Випромінювання чорної діри
3. Еволюція зірок
Висновок
Список використаної літератури
Введення
У наш час важко знайти людину, яка не чула б про чорні діри. Разом з тим, мабуть, не менш важко відшукати того, хто зміг би пояснити, що це таке. Втім, для фахівців чорні діри вже перестали бути фантастикою - астрономічні спостереження давно довели існування як «малих» чорних дір (з масою порядку сонячної), які утворилися в результаті гравітаційного стиснення зірок, так і надмасивних (до 10 9 мас Сонця), які породив колапс цілих зоряних скупчень в центрах багатьох галактик, включаючи нашу. В даний час мікроскопічні чорні діри шукають в потоках космічних променів надвисоких енергій (міжнародна лабораторія Pierre Auger, Аргентина) і навіть припускають «налагодити їх виробництво» на Великому адронному коллайдері (LHC). Проте справжня роль чорних дір, їх «призначення» для Всесвіту, знаходиться далеко за рамками астрономії і фізики елементарних частинок. При їх вивченні дослідники глибоко просунулися в науковому розумінні перш суто філософських питань - що є простір і час, чи існують межі пізнання Природи, яка зв'язок між матерією та інформацією.
Термін «чорна діра» був запропонований Дж. Вілером в 1967 році, однак перші прогнози існування тел настільки масивних, що навіть світло не може їх покинути, датуються XVIII століттям і належать Дж. Мітчеллу і П. Лапласа. Їх розрахунки грунтувалися на теорії тяжіння Ньютона і корпускулярну природу світла.
1. Структура чорної діри
Далеко від чорної діри простір-час майже плоске, і там світлові промені поширюються прямолінійно. Це - важливий факт. Промені світла, що проходять ближче до чорної діри, відхиляються на більш значні кути. Коли світло поширюється через область простору-часу з більшою кривизною, його світова лінія стає все більш викривленою. Можна навіть направити промінь світла точно в такому напрямку щодо чорної діри, щоб цей світ виявився спійманий на кругову орбіту навколо діри. Ця сфера навколо чорної діри іноді називається «фотонної сферою» або - фотонної окружністю »; вона утворена світлом, оббігали навколо чорної діри по всіляких кругових орбітах. Кожна зірка у Всесвіті посилає хоч трохи світла саме на таку відстань від чорної діри, що це світло захоплюється на фотонну сферу.
Слід пам'ятати, що ці кругові орбіти на фотонної сфері надзвичайно нестійкі. Щоб зрозуміти сенс цього твердження, уявімо собі майже кругову орбіту Землі навколо Сонця. Орбіта Землі стійка. Якщо Землю злегка штовхнути, то не станеться нічого особливого. Однак якщо промінь світла хоч трохи відхилиться від свого ідеального кругового шляху на фотонної сфері, то він дуже швидко піде по спіралі або всередину чорної діри, або назад в космічний простір. Саме нікчемне обурення, куди б воно не було спрямовано - всередину або назовні, відводить світло з фотонної сфери. Саме в цьому сенсі говорять про нестійкість всіх кругових орбіт на фотонної сфері.
Нарешті, ті промені світла, які націлені майже прямо на чорну діру, «всмоктуються» в неї. Такі промені назавжди йдуть із зовнішнього світу чорна діра їх буквально поглинає.
Представлений тут сценарій описує поведінку найпростішого з можливих типів чорних дір. У 1916 р., всього через кілька місяців після того, як Ейнштейн опублікував свої рівняння гравітаційного поля, німецький астроном Карл Шварцшильд знайшов їх точне рішення, яке, як виявилося згодом, описує геометрію простору-часу поблизу ідеальної чорної діри. Це рішення Шварцшильда описує сферично симетричну чорну дірку, що характеризується тільки масою. Породила цю чорну діру гіпотетична вмираюча зірка повинна не обертатися і бути позбавленою як електричного заряду, так і магнітного поля. Речовина такий вмираючої зірки падає по радіусу «вниз» до центру зірки, і кажуть, що вийшла, чорна діра має сферичної симетрією. Якби чорна діра виникала при колапсі обертається зірки, то в неї було б якесь «привілейоване» напрям, а саме діра мала б віссю обертання. Рішення Шварцшильда вільно від подібних ускладнень. Така шварцшільдовская чорна діра представляє собою найпростіший з усіх можливих типів чорної діри. Ми обмежимося розглядом лише цього простого випадку. Наступні глави будуть присвячені електрично зарядженим і обертовим чорних дірок.
Зрозуміти природу шварцшільдовской чорної діри можна, розглядаючи масивну (але не обертається і не має заряду) вмираючу зірку в процесі гравітаційного колапсу. Нехай хтось стоїть на поверхні такої вмираючої зірки, в якої тільки що вичерпалося ядерне паливо. Безпосередньо перед початком колапсу наш спостерігач бере потужний прожектор і направляє його промені в різні боки. Так як речовина зірки поки розподілено в досить великому обсязі простору, гравітаційне поле біля поверхні зірки залишається досить слабким. Тому промінь прожектора поширюється прямолінійно або майже прямолінійно. Однак після початку колапсу речовина зірки стискається в усі меншому і меншому обсязі. У міру зменшення розмірів зірки тяжіння у її поверхні зростає все більше і більше. Збільшення кривизни простору-часу призводить до відхилення світлового променя від колишнього прямолінійного поширення. Спочатку промені, які виходять з прожектора під малим кутом до горизонту, відхиляються вниз до поверхні зірки. Але надалі, в міру розвитку колапсу, нашому дослідникові доводиться направляти промені вгору все ближче до вертикалі, щоб вони могли назавжди піти від зірки. Зрештою, на деякій критичній стадії колапсу дослідник виявить, що вже ніякої промінь не в змозі піти від зірки. Як би наш дослідник ні направляв свій прожектор, його промінь все одно змінює свій напрямок так, що знову падає вниз, на зірку. Тоді кажуть, що зірка пройшла свій горизонт подій. Ніщо, опинившись за горизонтом подій, не може вийти назовні, навіть світло. Дослідник включає свій радіопередавач і виявляє, що він нічого не може передати залишилися зовні, оскільки радіохвилі не здатні вирватися за обрій подій. Наш дослідник буквально зникає з зовнішньої Всесвіту.
Термін «горизонт подій» - дуже вдала назва для тієї поверхні в просторі-часу, з якою ніщо не може вибратися. Це справді «обрій», за яким всі «події» пропадають з поля зору. Іноді горизонт подій, що оточує чорну діру, називають її поверхнею.
Знаючи рішення Шварцшильда, можна розрахувати положення горизонту подій, що оточує чорну діру. Наприклад, поперечник сфери горизонту подій чорної діри з масою, рівною 10 сонячних мас, становить близько 60 км. Як тільки вмираюча зірка з масою в 10 сонячних мас стиснеться до поперечника в 60 км, простір-час настільки сильно скривився, що навколо зірки виникне горизонт подій. У результаті зірка зникне.
У момент, коли вмираюча зірка піде за свій горизонт подій, її розміри ще досить великі, але ніякі фізичні сили вже не зможуть зупинити її подальше стиснення. І зірка в цілому продовжує стискатися, поки, нарешті, не припинить своє існування в точці в центрі чорної діри. У цій точці нескінченно тиск, нескінченна щільність і нескінченна кривизна простору-часу. Це «місце» в просторі-часу іменується сингулярність.
Перш за все, чорну діру оточує фотонна сфера, що складається з променів світла, що рухаються по нестійким кругових орбітах. Усередині фотонної сфери знаходиться горизонт подій - однобічно пропускає поверхню в просторі-часу, з якою ніщо не може вирватися. Нарешті, в центрі чорної діри знаходиться сингулярність. Все те, що провалюється крізь горизонт подій, засмоктується в сингулярність, де воно під дією нескінченно сильно викривленого простору-часу припиняє своє існування. Після того як вмираюча зірка заходить за свою фотонну сферу і наближається до горизонту подій, від неї в навколишнє Всесвіт може вирватися все менше і менше світлових променів. У міру наближення катастрофічного колапсу масивної зірки до його неминучого кінця, променям світла з поверхні зірки стає все важче і важче піти назавжди від зірки.
З наближенням поверхні зірки до горизонту подій її яскравість зменшується з неймовірною швидкістю. Через всього 1 / 1000 с після початку гравітаційного колапсу конус виходу стає настільки вузьким, що лише одна квадрильйона (10 ~ 15!) Світла зірки може вислизнути під зовнішню Всесвіт. Всього мить і колишня яскрава зірка стає майже абсолютно чорною.
Одночасно з швидким ослабленням яскравості вмираючої зірки вступає в гру й інший важливий ефект. Тяжіння викликає уповільнення течії часу. Цей ефект іменується гравітаційним червоним зміщенням бо світло, яке випромінюється атомами, зануреними в гравітаційне поле, «зміщується» у бік більш довгих хвиль. Тому в ході посилення гравітаційного поля поблизу зірки в процесі її колапсу світло, що випромінюється атомами на поверхні цієї зірки, відчуває все більше і більше червоний зсув. Тому для спостерігає її з боку астронома коллапсірующая зірка стає одночасно і слабкою, і випромінюючої світло все більш довгих (більше «червоних») хвиль.
2.Ізлученіе чорної діри
Чорна діра народжує частинки. Порівняно великі чорні діри масою в декілька сонячних мають настільки низькою температурою, що можуть робити тільки «безмасові» частинки - частки, завжди летять зі швидкістю світла і не мають власної маси спокою. До них, належать фотони, електронні та Мюонні нейтрино, їх античастинки і, нарешті, ще Гравітон - кванти гравітаційних хвиль. Чорна діра масою, типовою для зірок, народжує особливо багато нейтрино (81% усього потоку) всіх сортів, потім фотонів (17%) і гравітонів (2%) (рис. 8). Той факт, що різні частинки випромінюються в різних кількостях, пояснюється різницею їхніх властивостей. Нейтрино випускається більше за все, тому що їх внутрішній кутовий момент (спін) мінімальний (1 / г), а гравітонів менше за все, так як їх спін максимальний (2).
Чорні діри малої маси мають велику температуру. Так, температура чорних дір масою, меншою; жовтня 1917 -10 16 г, вище 10 9 -10 10 К. Ці чорні діри породжують, крім перерахованих частинок, електронно-позитронні пари. Зауважимо, що розміри таких чорних дір становлять всього 10 11 см (у 1000 разів менше розміру атома).
Ще менші чорні діри масою <5 • 10 14 г здатні випромінювати мюони і важчі елементарні частинки. Чорна діра масою 10 14 г випромінює 12% важких частинок і античастинок, 28% електронів і позитронів,. 48% нейтрино всіх сортів, 11% фотонів і 1% гравітонів (розмір цих чорних дір менше атомного ядра).
Особливу важливість квантові процеси набувають для первинних чорних дірок. Якщо на початку розширення Всесвіту, коли речовина була щільним, утворилися чорні діри масою, меншою 10 15 г, то всі вони повинні до нашого часу випаруватися. З цієї причини процес, відкритий Хоукінга, має дуже важливе значення для космології. Процес випаровування первинних чорних дір веде до випромінювання високочастотних фотонів - гамма-випромінювання. Так, чорні діри масою близько 10 15 г повинні випромінювати кванти з енергією близько 100 МеВ.
Спостереження таких квантів, що приходять з космосу, в принципі могло б допомогти виявленню первинних чорних дірок. Поки ж вони не виявлені, і можна тільки сказати, що кількість чорних дір масою близько 10 15 г у Всесвіті має бути в середньому не більше, ніж десять тисяч на кожен кубічний парсек. Якби їх було більше, то загальна кількість гамма-квантів, з енергією близько 100 МеВ було б більше спостерігається зараз потоку гамма-квантів з космосу.
3.Еволюція зірочок
Зоряні рештки можуть бути трьох різновидів: це білі карлики, нейтронні зірки і чорні діри.
Природа білих карликів як «мертвих» зірок стала досить ясна після піонерської роботи С. Чандрасекара на початку 1930-х років. Та термоядерна «піч», яка підтримує структуру звичайних зірок, не може бути причиною стійкості зовнішніх шарів у білих карликів просто тому, що в них вже вичерпано всі пальне. Для розуміння того, що ж підтримує структуру білого карлика, розглянемо речовина в серцевині колапсуючої, вмираючої зірки. У міру стиснення зірки тиску і щільності стають настільки великі, що всі атоми повністю «роздавлюються». У результаті виходить море вільних електронів, у якому як би «плавають» ядра. Електрони мають спіном, або власним «обертанням», внаслідок чого їх поведінка підкоряється важливого закону природи, що зветься у фізиці принципом заборони Паулі. Згідно з цим забороні, два електрони одночасно не можуть займати одне і те ж місце, якщо їх швидкості і спини однакові. У міру стиснення вмираючої зірки електрони зазнають тиску до такої міри, що врешті-решт виявляються заповненими всі вакансії можливого розташування і швидкостей електронів. Як тільки це сталося, електрони починають з великою силою діяти один на одного, чинячи опір подальшому стисненню вмираючої зірки. Таким чином, виникає тиск вироджених електронів, що запобігає необмежену стиснення (колапс) білого карлика.
Білі карлики відомі астрономам вже протягом багатьох років. Ці зірки настільки звичайні, що до недавніх пір всі вважали їх кінцевим станом усіх вмираючих зірок.
Виконавши докладні розрахунки структури білих карликів, Чандрасекар прийшов до цікавого відкриття: для маси білого карлика існує сувора верхня межа. Тиск вироджених електронів здатне підтримувати речовина мертвої зірки лише в тому випадку, якщо її маса не перевищує приблизно 1,25 маси Сонця. Якщо ж маса вмираючої зірки істотно більше 1,25 сонячною, то навіть потужних сил між виродженими електронами недостатньо для того, щоб протистояти нищівного тиску верхніх шарів зірки. Цей критичний межа маси - близько 1,25 маси Сонця-називається межею Чандрасекара.
Так як білі карлики є вельми звичайними і так як не було відомо інших типів «мертвих» зірок, то астрономи вважали, що всі вмираючі зірки примудряються так чи інакше скинути достатню кількість речовини, щоб їх маси опинилися в межах маси Чандрасекара і дали нейтрони. Коли, нарешті, вся зірка майже цілком перетвориться на нейтрони, знову почне відігравати важливу роль принцип заборони Паулі. Сили між нейтронами викличуть появу тиску вироджених нейтронів. Це нова, ще більш могутнє тиск здатний зупинити стиснення і веде до появи зоряного тіла нового типу - нейтронної зірки.
Ще через п'ять років, в 1939 р., Ю.Р. Оппенгеймер і Г. Волков опублікували великі обчислення, доводять плідність цих міркувань. Але так як ніхто ніколи не спостерігав нейтронних зірок, ці пророчі ідеї не знайшли підходящої грунту. По суті справи астрономи просто не знали, де і як їм шукати нейтронні зірки.
У 1054 р. н. е.. астрономи Стародавнього Китаю відзначили появу на небі «зірки-гості» в сузір'ї Тельця. Яскравість цієї нової зірки була настільки велика, що її можна було бачити без праці в сонячний день, Потім вона стала слабшати і незабаром зовсім зникла з виду.
Коли сучасні астрономи направили свої телескопи на те місце неба, де, за давніми записами, з'явилася «зірка-гостя", вони виявили чудову Крабовидную туманність. Крабоподібна туманність є прекрасним прикладом залишку вибуху наднової, а древнекитайским астрономам настільки пощастило, що вони побачили вмираючу зірку, коли вона скидала свою атмосферу.
У кінці 1968 р. астрономів чекала нова радість: був виявлений пульсар, який знаходиться точно посередині Крабовидної туманності. Цей пульсар, відомий як NP 0532, - самий швидко пульсуючий з усіх пульсарів. Імпульси радіовипромінювання приходять від нього по 30 разів за секунду. Це відкриття дало астрономам привід для підозр, що вмирають зірки можуть мати якийсь стосунок до пульсара. Безпосередні розрахунки показали, що білі карлики не здатні давати тридцять імпульсів радіошумів в секунду. Прийшла пора воскресити ідеї Бааде, Цвіккі, Оппенгеймера і Волкова.
Усі зірки обертаються і всі вони, ймовірно, мають магнітними полями. У звичайних умовах обидва ці властивості досить несуттєві. Наприклад, Сонце робить один оборот навколо своєї осі приблизно за місяць. Його магнітне поле до того ж досить слабке. У середньому у Сонця магнітне поле має приблизно таку ж напруженість, як і в Землі. Однак якщо Сонце або подібна йому зірка стане стискатися до розмірів нейтронної зірки, то обидва зазначених властивості придбають виключно важливе значення. Щоб зрозуміти причини цього, уявімо собі фігуристку, що робить пірует на льоду. Це - прямий наслідок фундаментального закону фізики, відомого як закон збереження моменту кількості руху. Подібним же чином якщо велика зірка, розміром з Сонце, стискається до малого обсягу, то швидкість її обертання стрімко зростає. Тому астрономи вважають, що нейтронні зірки дуже швидко обертаються, ймовірно, швидше, ніж оборот за секунду.
Коли зірка дуже велика, її магнітне поле розподілено по багатьом мільйонам квадратних кілометрів її поверхні. Напруженість магнітного поля в усіх точках поверхні досить невелика. Однак, вмираючи, зірка зменшується в розмірах. Те магнітне поле, яке спочатку було розподілено на великій площі, зосереджується на декількох сотнях квадратних кілометрів. При скороченні площі, займаної магнітним полем, його напруженість теж стрімко зростає. Якщо б зірка начебто Сонця стиснулася до розмірів нейтронної зірки, то напруженість її магнітного поля збільшилася б приблизно в мільярд разів!
У астрономів, які займають проблемами нейтронних зірок, є вагомі підстави вважати, що ці зірки швидко обертаються навколо осі і володіють потужними магнітними полями.
Не може існувати нейтронних зірок з масою більше приблизно 2,25 сонячної! Вище цього критичної межі тиск вироджених нейтронів у свою чергу виявляється недостатнім, щоб підтримати вмираючу зірку.
Спостереження подвійних зірок свідчать про те, що у Всесвіті існують зірки з масами до 40 або 50 сонячних. Розрахунки процесів еволюції зірок говорять про те, що масивні зірки старіють дуже швидко. Припустимо, що вмираюча масивна зірка не викине все зайве речовина в космічний простір спалахнувши як наднова, нехай тому що залишилася від зірки мертва серцевина володіє масою більше 3 сонячних мас. Така зірка не може стати білим карликом, так як її маса значно перевищує межу Чандрасекара. Така зірка не може стати і пульсаром, бо її маса занадто велика, щоб її могло витримати тиск виродженого нейтронного газу. Помираючи, зірка, мертва серцевина якої містить речовини більше 3 сонячних мас просто стає менше і менше. Спрямована всередину нищівна сила ваги мільярдів тонн речовини не може зустріти гідного опору. У міру стиснення зірки напруженість гравітаційного поля навколо неї стає все більше. У ході триваючого стиснення наростає викривлення простору-часу. Нарешті, коли зірка стиснеться до поперечника у кілька кілометрів, простір-час «згорнеться» і зірка зникне, а те, що залишиться, називається чорною дірою.
Висновок
В останні роки наші уявлення про чорні діри помітно змінилися. Ще недавно ці об'єкти вважалися екзотичними. Тепер астрономи впевнені, що Всесвіт рясніє чорними дірами. За розрахунками вчених, їх не менше 400 мільйонів. Парадоксально, але факт: майже половина всього світла у Всесвіті породжена самими похмурими космічними об'єктами - чорними дірами. Вони перетворять речовину в енергію світла ефективніше, ніж будь-яка зірка.
Однак механізм колапсу разюче нагадує схему формування чорної діри. Коли зірка «вигорає», її руїни під дією власної ваги стискаються. На місці зірки утворюється неймовірно щільний об'єкт - чорна діра. Навіть світло не повинен вирватися з її надр. У той же час лише на її прикладі можна вивчати процеси, які передували Великому Вибуху і привели до народження нового Всесвіту. Чорна діра - їх жива модель, яка замінює космологам складні математичні формули, якими вони описують Великий Вибух.
Складніше стає і уявлення про чорні діри. Астрономи навчилися розрізняти в цих згустках мороку кілька різновидів:
* Мініатюрні чорні діри діаметром кілька кілометрів, вони утворюються при колапсі зірки, і їх маса незначно перевищує масу Сонця;
* Чорні діри середніх розмірів; вони утворюються при злитті мініатюрних чорних дірок, і їх маса в10 - 100 тисяч разів перевищує масу Сонця;
* Надмасивні чорні діри, вони в мільйони, а то і в мільярди разів важча за Сонце; подібні прірви розверзаються в центрі галактик.
Будь-яка чорна діра здається настільки дивним об'єктом, що навіть уяву відмовляє нам, коли ми намагаємося подумки зазирнути в її надра, адже вона ні на що не схожа - ні на зірки, ні на комети.
Список використаної літератури
1. Вайнсберг С. Перші три хвилини. М.: Енергоіздат. 1981
2. Кауфман У. Космічні рубежі теорії відносності. М.: Мір.1981
3. Новіков І.Д. Чорні дірки у Всесвіті. М.: Знание. 1977
4. Новіков І.Д. Енергетика чорних дір. М.: Знание. 1986
5. Знання - сила / / Волков А. Прямуючи в чорну діру. Б.м. - 2005. - № 4 С.19 - 25
6. Наука і життя / / Нещастя К. Чорні діри Б.м. - 2005 - 2 № 12 С.2 - 9