Реферат: Черные дыры вселенной

Реферат: Черные дыры вселенной

Реферат на тему:

"Черные дыры Вселенной"

Владивосток

2000
Содержание:

Черные дыры вселенной_____________________________3

Гипотезы и парадоксы______________________________6

Заключение_______________________________________14

Список использованной литературы_________________15

Черные дыры вселенной

В этом явлении, казалось, содержится столько необъяс­ни­мого, почти мистического, что даже Альберт Эйнштейн, чьи теории, по сути дела, породили представление о черных ды­рах, сам просто не верил в их существование. Сегодня астро­физики все больше убеждаются, что черные дыры - это реаль­ность.

Математические расчеты показывают - невидимые гиганты есть. Четыре года назад группа американских и японских ас­трономов направила свой телескоп на созвездие Гончих Псов, на находящуюся там спиральную туманность М106. Эта галак­тика удалена от нас на 20 миллионов световых лет, но ее можно увидеть даже с помощью любительского телескопа. Мно­гие считали, что она такая же, как и тысячи других галак­тик. При внимательном изучении оказалось, что у туманности М106 есть одна редкая особенность - в ее центральной части существует природный квантовый генератор - мазер. Это газо­вые облака, в которых молекулы благодаря внешней «накачке» излучают радиоволны в микроволновой области. Мазер помогает точно определить свое местоположение и скорость облака, а в итоге - и других небесных тел.

Японский астроном Макото Мионис и его коллеги во время наблюдений туманности М106 обнаружили странное поведение ее космического мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра, удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтриговала астрономов особенность этого враще­ния: периферийные слои облаков перемещались на четыре мил­лиона километров в час! Это говорит о том, что в центре со­средоточена гигантская масса. По расчетам она равна 36 мил­лионам солнечных масс.

М106 - не единственная галактика, где подозревается черная дыра. В туманности Андромеды, скорее всего, тоже есть и примерно такая же по массе - 37 миллионов Солнц. Предполагается, что и в галактике М87 - чрезвычайно интен­сивном источнике радиоизлучения - обнаружена черная дыра, в которой сосредоточено 2 миллиарда масс Солнца!                Рис. 1 Галактика М87

Лишь вестник радиоволн может быть черной дырой, еще не полностью закрытой «капсулой» искривленного пространства. Советский физик Яков Зельдович и его американский коллега Эдвин Солпитер сообщили о разработанной ими модели. Модель показала: черная дыра притягивает газ из окружающего про­странства, и вначале он собирается в диск возле нее. От столкновений частиц газ разогревается, теряет энергию, ско­рость и начинает по спирали приближаться к черной дыре. Газ, нагретый до нескольких миллионов градусов, образует вихрь, имеющий форму воронки. Его частицы мчатся со скоро­стью 100 тысяч километров в секунду. В конце концов вихрь газа доходит до «горизонта событий» и навечно исчезает в черной дыре.

Мазер в галактике М106, о котором шла речь в самом на­чале, находится в газовом диске. Черные дыры, возникающие во Вселенной, судя по тому, что наблюдали американские и японские астрономы в спиральной туманности М106, обладают несравненно большей массой, нежели те, о которых говорит теория Оппенгеймера. Он рассмотрел случай коллапса одной звезды, масса которой не более трех солнечных. А как обра­зуются такие гиганты, которые астрономы уже наблюдают, объ­яснений пока нет.

Последние компьютерные модели показали, что газовое об­лако, находящееся в центре нарождающейся галактики, может породить огромную черную дыру. Но возможен и другой путь развития: скопление газа вначале распадается на множество боле мелких облаков, которые дадут жизнь большому числу звезд. Однако и в том, и в другом случае часть космического газа под действием собственной гравитации в конце концов закончит свою эволюцию в виде черной дыры.

По этой гипотезе черная дыра есть почти в каждой галак­тике, в том числе и в нашей, где-то в центре Млечного Пути.

Наблюдения так называемых систем двойных звезд, когда в телескоп видна лишь одна звезда, дают основание считать, что невидимый партнер - черная дыра. Звезды этой пары рас­положены так близко одна к другой, что невидимая масса «высасывает» вещество видимой звезды и поглощает его. В не­которых случаях удается определить время оборота звезды во­круг ее невидимого партнера и расстояние до невидимки, что позволяет рассчитать скрытую от наблюдения массу.

Первый кандидат на такую модель - пара, обнаруженная в начале 70-х годов. Она находится в созвездии Лебедя (обозначена индексом Cygnus XI) и испускает рентгеновские лучи. Здесь вращаются горячая голубая звезда и, по всей ве­роятности, черная дыра с массой, равной 16 массам Солнца. Другая пара (V404) имеет невидимую массу в 12 Рис. 2 Cygnus XI     солнечных. Еще одна подозреваемая пара - рентгеновский источник (LMCX3) в девять солнечных масс находится в Большом Магел­лановом Облаке.

Все эти случаи хорошо объясняются в рассуждениях Джона Мишелла о «темных звездах». В 1783 году он писал: «Если светящиеся тела вращаются вокруг невидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этого вращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этого центрального тела».

Гипотезы и парадоксы

Общая теория относительности, как известно, предска­зала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, про­водя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, ко­торые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравита­ции изображения звезд сместились. (здесь поражает еще и точность измерения, потому что сместились они меньше, чем на одну тысячную градуса!)

Астрономы теперь точно знают, что под влиянием «линзы тяготения», которую представляют собой тяжелые звезды и, прежде всего черные дыры, реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех, что нам видятся с Земли. Далекие галактики могут выглядеть для нас бесформен­ными и в виде «капсулы». Это означает: тяготение столь ве­лико и пространство так закручено, что свет проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за уг­лом.

Вообразим совершенно невероятное: некий отважный космо­навт решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы по­знать ее тайны. Что он увидит в этом фантастическом путеше­ствии?

По мере приближения к цели часы на космическом корабле будут все больше и больше отставать - это вытекает из тео­рии относительности. На подлете к цели наш путешественник окажется как бы в трубе, кольцом окружающей черную дыру, но ему будет казаться, что он летит по совершенно прямому тон­нелю, а вовсе не по кругу. Но космонавта ждет еще более удивительное явление: попав за «горизонт событий» и двига­ясь по трубе, он будет видеть свою спину, свой затылок...

Общая теория относительности говорит, что понятия «вовне» и «внутри» не имеют объективного смысла, они отно­сительны также, как указания «налево» или «направо», «вверх» или «вниз». Вся эта парадоксальная путаница с на­правлениями очень плохо согласуется с нашими повседневными оценками.

Как только корабль пересечет границу черной дыры, люди на Земле уже не смогут ничего увидеть из того, что там бу­дет происходить. А на корабле остановятся часы, все краски будут смешаны в сторону красного цвета: свет потеряет часть энергии в борьбе с гравитацией. Все предметы приобретут странные искаженные очертания. И, наконец, даже если эта черная дыра будет всего вдвое тяжелее, чем наше Солнце, притяжение станет столь сильным, что и корабль, и его гипо­тетический капитан будут вытянуты в шнурок и вскорости ра­зорваны. Материя, попавшая внутрь черной дыры, не сможет противостоять силам, влекущим ее к центру. Вероятно, мате­рия распадется и перейдет в сингулярное состояние. Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет частью какой-то иной Вселенной - черные дыры связывают наш космос с другими мирами.

Как и все тела в природе, звёзды не остаются неизмен­ными, они  рождаются, эволюционируют, и наконец "умирают". Чтобы проследить жизненный путь звёзд и понять, как они стареют, необходимо знать, как они возникают. В прошлом это представлялось большой загадкой ; современные астрономы уже могут с большой уверенностью подробно описать пути, ведущие к появлению ярких звёзд на нашем ночном небосводе. 

Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На Рис.3 Большая Туманность Ориона снимках 1947г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти продолговатые образо­вания распались на отдельные звёзды - впервые в истории че­ловечества люди наблюдали рождение звёзд буквально на гла­зах этот беспрецедентный случай показал астрономам, что звёзды могут рождаться за короткий интервал времени, и ка­завшиеся ранее странными рассуждения о том, что звёзды обычно возникают в группах, или звёздных скоплениях, оказа­лись справедливыми.

Каков же механизм их возникновения ? Почему за многие годы астрономических визуальных и фотографических наблюде­ний неба только сейчас впервые удалось увидеть "материализацию" звёзд ? Рождение звезды не может быть ис­ключительным событием : во многих участках неба существуют условия, необходимые для появления этих тел.

В результате тщательного изучения фотографий туманных участков Млечного Пути удалось обнаружить маленькие чёрные пятнышки неправильной формы, или глобулы, представляющие собой массивные скопления пыли и газа. Они выглядят чёр­ными, так как не испускают собственного света и находятся между нами и яркими звёздами, свет от которых они засло­няют. Эти газово-пылевые облака содержат частицы пыли, очень сильно поглощающие свет, идущий от расположенных за ними звёзд.

Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося после взрыва, всё ещё превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в кро­шечное плотное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют всякое  Рис. 4 Рождение   внутреннее сопротивление сжатию. Учёные    черной дыры       полагают, что именно в этот момент катастрофический грави­тационный коллапс приводит к возникновению чёрной дыры. Они считают, что с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Тогда для мас­сивной звезды остаётся один неизбежный путь - путь всеоб­щего и полного сжатия (коллапса), превращающего её в неви­димую чёрную дыру.

В 1939г. Р. Оппенгеймер и его аспирант Снайдер в Кали­форнийском университете (Беркли) занимались выяснением окончательной судьбы большой массы холодного вещества. Од­ним из наиболее впечатляющих следствий общей теории относи­тельности Эйнштейна оказалось следующее: когда большая масса начинает коллапсировать, этот процесс не может быть остановлен и масса сжимается в чёрную дыру. Если, например, не вращающаяся симметричная звезда начинает сжиматься до критического размера, известного как гравитационный радиус, или радиус Шварцшильда (назван так в честь Карла Шварц­шильда, которой первым указал на его существование). Если звезда достигает этого радиуса, то уже не что не может вос­препятствовать ей завершить коллапс, то есть буквально замкнуться в себе. Чему же равен гравитационный радиус ? Строгое математическое уравнение показывает, что для тела с массой Солнца гравитационный радиус равен почти 3 км, тогда как для системы, включающей миллиард звёзд, - галактики - этот радиус оказывается  равным расстоянию от Солнца до ор­биты планеты Уран, то есть составляет около 3 млрд. км.

Каковы же физические свойства «чёрных дыр» и как учёные предполагают обнаружить эти объекты ? Многие учёные разду­мывали над этими вопросами; получены кое-какие ответы, ко­торые способны помочь в поисках таких объектов.

Само название - чёрные дыры - говорит о том, что это класс объектов, которые нельзя увидеть. Их гравитационное поле настолько сильно, что если бы каким-то путём удалось оказаться вблизи чёрной дыры и направить в сторону от её поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от Земли до Солнца. Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля чёрной дыры и покинуть её поверхность. Именно поэтому такая по­верхность называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу чёрной дыры.

Учёные отмечают, что эти необычные объекты нелегко по­нять, оставаясь  в рамках законов тяготения Ньютона. Вблизи поверхности чёрной дыры гравитация столь сильна, что при­вычные ньютоновские законы перестают здесь действовать. Их следует заменить законами общей теории относительности Эйн­штейна. Согласно одному из трёх следствий теории Эйнштейна, покидая массивное тело, свет должен испытывать красное сме­щение, так как он должен испытывать красное смещение, так как он теряет энергию на преодоление гравитационного поля звезды. Излучение, приходящее от плотной звезды, подобной белому карлику - спутнику Сириуса А, - лишь слегка смеща­ется в красную область спектра. Чем плотнее звезда, тем больше это смещение, так что от сверхплотной звезды совсем не будет приходить излучения в видимой области спектра. Но если гравитационное действие звезды увеличивается в резуль­тате её сжатия, то силы тяготения оказываются настолько ве­лики, что свет вообще не может покинуть звезду. Таким обра­зом, для любого наблюдателя возможность увидеть чёрную дыру полностью исключена ! Но тогда естественно возникает во­прос: если она невидима, то как же мы можем её обнаружить ?  Чтобы ответить на этот вопрос, учёные прибегают к искусным уловкам. Руффини и Уиллер досконально изучили эту проблему и предложили несколько способов пусть не увидеть, но хотя бы обнаружить чёрную дыру. Начнём с того, что, когда чёрная дыра рождается в процессе гравитационного коллапса, она должна излучать гравитационные волны, которые могли бы пе­ресекать пространство со скоростью света и на короткое время искажать геометрию пространства вблизи Земли. Это иска­жение проявилось бы в виде гравитационных волн, действующих одновременно на одинаковые инструменты, установленные на земной поверхности на значительных расстояниях друг от друга. Гравитационное излучение могло бы приходить от звёзд, испытывающих гравитационный коллапс. Если в течение обычной жизни звезда вращалась, то, сжимаясь и становясь всё меньше и меньше, она будет вращаться всё быстрее сохра­няя свой момент количества движения. Наконец она может дос­тигнуть такой стадии, когда скорость движения на её эква­торе приблизится к скорости света, то есть к предельно воз­можной скорости. В этом случае звезда оказалась бы сильно деформированной и могла бы выбросить часть вещества. При такой деформации энергия могла бы уходить от звезды в виде гравитационных волн с частотой порядка тысячи колебаний в секунду (1000 Гц).

Дж. Вебер установил ловушки гравитационных волн в Ар­гоннской национальной лаборатории вблизи Чикаго и в Мэри­лендском университете. Они состояли из массивных алюминие­вых цилиндров, которые должны были колебаться, когда грави­тационные волны достигнут Земли. Используемые Вебером де­текторы гравитационного излучения реагируют на высокие (1660 Гц), так и на очень низкие (1 колебание в час) час­тоты. Для детектирования последней частоты используется чувствительный гравиметр, а детектором является сама Земля. Собственная частота квадрупольных колебаний Земли равна од­ному колебанию за 54 мин.

Все эти устройства должны были срабатывать одновременно в момент, когда гравитационные волны достигнут Земли. Дей­ствительно они срабатывали одновременно. Но к сожалению, ловушки включались слишком часто - примерно раз в месяц, что выглядело весьма странно. Некоторые учёные считают, что хотя опыты Вебера и полученные им результаты интересны, но они недостаточно надёжны. По этой причине многие относятся весьма скептически к идее детектирования гравитационных волн (эксперименты по детектированию гравитационных волн, аналогичные опытам Вебера, позднее были проверены в ряде других лабораторий и не подтвердили результатов Вебера. В настоящее время считается, что опыты Вебера ошибочны).   

Роджер Пенроуз, профессор математики Биркбекского кол­леджа Лондонского университета, рассмотрел любопытный слу­чай коллапса и образования чёрной дыры. Он также допускает, что чёрная дыра исчезает, а затем проявляется в другое время в какой-то иной вселенной. Кроме того, он утверждает, что рождение чёрной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией простран­ства-времени происходит нечто необычное. Исследования Пен­роуза показывают, что коллапс заканчивается образованием сингулярности, то есть он должен продолжаться до нулевых размеров и бесконечной плотности объекта. Последние условие даёт возможность другой вселенной приблизиться к нашей син­гулярности, и не исключено, что сингулярность перейдёт в эту новую вселенную. Она даже может появиться в каком-либо другом месте нашей собственной Вселенной.

Заключение

Некоторые учёные рассматривают образование чёрной дыры как маленькую модель того, что, согласно предска­заниям общей теории относительности, в конечном счёте может случиться со Вселенной. Общепризнано, что мы жи­вём в неизменно расширяющейся Вселенной, и один из наи­более важных и насущных вопросов науки касается природы Вселенной, её прошлого Рис.5 Черная дыра  и будущего. Без сомнения, все современные результаты наблюдений указывают на расшире­ние Вселенной. однако на сегодня один из самых каверз­ных вопросов таков: замедляется ли скорость этого рас­ширения, и если да, то не сожмётся ли Вселенная через десятки миллиардов лет, образуя сингулярность. По-види­мому, когда-нибудь мы сможем выяснить, по какому пути следует Вселенная, но, быть может, много раньше, изучая информацию, которая просачивается при рождении чёрных дыр, и те физические законы, которые управляют их судь­бой, мы сможем предсказать окончательную судьбу Вселен­ной.

Список использованной литературы:

1.   Космос: Сборник. Научно - популярная литература/ Ю. И. Коптев и С. А. Никитин; - Л.: Дет. лит.,1987. - 223 с.

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

3.   А. Н. Томилин. Небо Земли. Очерки по истории астрономии/ К. Ф. Огородников. Л., «Дет. лит.», 1974. - 334 с., ил.

4.   Энциклопедический словарь юного астронома/ Сост. Н. П. Ерпылев. - 2-е изд., - М.: Педагогика, 1986. - 336с.