Черные дыры реферат по астрономии скачать бесплатно вселеная солнце карлики гиганты галактика фотоны коллапс астрофизика нейтронные звезды гравитационное излучения Масса вселенная энергия Черная скорость частицы тяготения поле, Сочинения из Астрономия. Moscow State University
refbank20532
refbank2053211 апреля 2017 г.

Черные дыры реферат по астрономии скачать бесплатно вселеная солнце карлики гиганты галактика фотоны коллапс астрофизика нейтронные звезды гравитационное излучения Масса вселенная энергия Черная скорость частицы тяготения поле, Сочинения из Астрономия. Moscow State University

DOC (44 KB)
5 страница
51Количество просмотров
Описание
Черные дыры реферат по астрономии скачать бесплатно вселеная солнце карлики гиганты галактика фотоны коллапс астрофизика нейтронные звезды гравитационное излучения Масса вселенная энергия Черная скорость частицы тяготени...
20 баллов
Количество баллов, необходимое для скачивания
этого документа
Скачать документ
Предварительный просмотр3 страница / 5

Это только предварительный просмотр

3 страница на 5 страницах

Скачать документ

Это только предварительный просмотр

3 страница на 5 страницах

Скачать документ

Это только предварительный просмотр

3 страница на 5 страницах

Скачать документ

Это только предварительный просмотр

3 страница на 5 страницах

Скачать документ

Черные дыры Теоретическое предвидение существования во Вселенной черных дыр

– одно из самых замечательных достижений теоретической астрофизики в 20 в. Хотя отдельные идеи, приближавшие к понятию черной дыры, высказывались еще даже в рамках ньютоновской физики в 18 в. Тем не менее первая теоретическая модель черной дыры была построена в 1916 г. К. Шварцшильдом всего через несколько месяцев после опубликования А. Эйнштейном уравнений гравитационного поля в ОТО. В процессе поиска точных решений уравнений гравитационного поля Шварцшильд пришел к описанию геометрии пространства - времени вблизи идеальной черной дыры. Это была простейшая модель сферически - симметричной черной дыры, характеризующейся только массой.

Однако в целом в первой половине 20 в. интерес к моделированию черных дыр носил исключительно абстрактно – теоретический характер и не связывался с некими реальными объектами в Космосе. Вместе с тем в середине 20 в. развитие теории строения и эволюции звезд привело к выводу, что старые массивные звезды, умирая, переходят в состояние гравитационного коллапса (сначала нерелятивистского, а затем релятивистского). Результатом коллапса является образование области, в которой тяготение настолько велико, что оттуда ничего выйти уже не может: окружающее звезду пространство-время, т.е. та черная дыра, модель которой существует с начала 20 в. Если масса умирающий звезды в 3 и более раз превышает массу Солнца, то она, завершая свой жизненный путь, неизбежно превращается в черную дыру. Проявлениями гравитационного коллапса является также наблюдаемые вспышки новых и сверхновых звезд, нейтронные звезды и др.

Следующий кардинальный шаг бал сделан в 1965г., когда группой физиков и астрофизиков была построена сложная модель черной дыры с массой, зарядом и моментом количества движения. Новый прорыв связан с созданием теорий, описывающих взаимодействие черной дыры и физического вакуума и появляющиеся при этом необычные свойства черных дыр, в частности их «испарение»

Сильное гравитационное поле черной дыры должно вызывать бурное излучение электромагнитных волн при попадании в это поле газа. Газ образует закручивающийся вокруг черной дыры быстро вращающейся уплотняющейся диск. При этом кинетическая энергия его частиц, разгоняемых силой тяготения черной дыры, частично переходит в рентгеновское излучение, по которому черная дыра может быть обнаружена. Так, в 1972-1973 гг. было получено доказательство реального существования черных дыр, когда выяснилось, что рентгеновский источник Лебедь Х-1 – это тесная двойная звездная система, в которой вещество из звезды гиганта (25 масс Солнца) перетекает к черной дыре (массой около 10 масс Солнца), генерируя мощный поток рентгеновского излучения.

В настоящее время существует уже более 10 кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах и несколько десятков кандидатов в сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик и в квазарах. Совсем недавно

исследование движения звезд, сосредоточенных в центре нашей Галактики, показало, что одна из них, двигаясь по орбите вокруг центра Галактике на расстоянии, всего в 3 раза превышающем расстояние от Солнца до Плутона, имеет немыслимую для других для других звезд скорость – 5000 км/с, а период её обращения 15,2 года. Такое быстрое движение по орбите может быть объяснено только тем, что в нашей Галактики находится массивный (3,7 млн. масс Солнца) и сверхкомпактный объект. А с точки зрения современных представлений, таким объектом может быть только черная дыра.

Таким образом, черная дыра – область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь – ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света. Границу области, за которую ничто не выходит, даже свет, называют горизонтом черной дыры.

Для того чтобы поле тяготения смогло «запереть» излучение и вещество, создающая это поле масса звезды должна сжаться до объёма, радиус которого меньше гравитационного радиуса r = 2GM/c * c, где G – гравитационная постоянная; с – скорость света; М – масса звезды. Гравитационный радиус чрезвычайно мал даже для больших масс (например, для Солнца r ≈ 3 км, а для земли всего 0,8 см.). звезда с массой, равной массе Солнца, всего лишь за тысячную долю секунды превратится из обычной звезды в черную дыру. А если масса равна массе миллиарда звезд (её горизонт равен 2,8 световых часа), то такой процесс займет несколько дней.

Свойства черной дыры крайне необычны. Особый интерес вызывает возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из бесконечности. Если скорость тела вдали от черной дыры много меньше световой и траектория его движения подойдет близко к окружности с R = 2r, то тело совершит много оборотов вокруг черной дыры, прежде чем снова улетит в космос. Если же тело подойдет вплотную к указанной окружности, то его орбита будет неограниченно навиваться на окружность, тело будет гравитационно захваченным черной дырой и уже никогда не улетит в космос. Если же тело подлетит еще ближе к черной дыре, то после нескольких оборотов, или даже не успев сделать ни одного оборота, оно упадет в черную дыру.

Необычным свойством черной дыры является фундаментальное замедление времени. Представим себе двух наблюдателей: одного на поверхности коллапсирующей звезды, а другого далеко от нее. Предположим, что первый через равные промежутки времени посылает (радио- или световые) сигналы второму, информируя его о происходящем. По мере приближения первого наблюдателя к гравитационному радиусу сигналы, которые он посылает через равные интервалы времени, будут достигать другого наблюдателя через все более длительные промежутки времени. Если первый наблюдатель передаст последний сигнал как раз перед тем, как звезда достигнет гравитационного радиуса, то сигналу потребуется почти

бесконечное время для того, чтобы прийти к удаленному наблюдателю. Другими словами, второй наблюдатель по сути никогда не увидит пересечение первым наблюдателем горизонта черной дыры. Если же наблюдатель послал сигнал после того, как достиг гравитационного радиуса, напарник некогда не примет его, потому что сигнал никогда не покинет звезду. Оказавшись внутри черной дыры, наблюдатель не может вернуться к поверхности. Он не может даже приостановиться в том месте, где оказался. Он «попадает в область бесконечной плотности, где время кончается». Когда фотоны либо частицы уходят за гравитационный радиус, они просто исчезают.

Итак, черная дыра так сильно искривляет пространство, что как бы отсекает себя от Вселенной. Она может буквально исчезнуть из Вселенной. Возникает вопрос – куда? Математический анализ дает несколько решений. Особенно интересно одном из них: черная дыра может перемещаться в другую часть нашей Вселенной или даже внутрь иной Вселенной. Таким образом, воображаемый космический путешественник мог бы использовать черную дыру для передвижения в пространстве и времени нашей Вселенной, и даже проникновения в другую Вселенную.

Правда, в реальности все оказывается намного сложнее. Есть ли у человека шансы сохраниться во времени его падения в черную дыру? Разочаруем любителей фантастических путешествий в другие вселенные. Во время такого свободного падения тело попросту будет разорвано грандиозными силами тяготения: если, допустим, оно попадает ногами вниз, то ноги окажутся ближе к черной дыре, чем голова, и будут двигаться быстрее – человек вытянется в тонкую нить длиной сотни километров. Существует еще много других серьезных и, по существу, непреодолимых препятствий для подобного путешествия. Например, у поверхности черной дыры свет (потоки фотонов) теряет энергию и испытывает красное смещение. А попадая под горизонт черной дыры, свет, наоборот, приобретает грандиозную энергию и испытывает фиолетовое смещение; здесь накапливается так называемый фиолетовый слой фотонов. Попадающего под горизонт черной дыры воображаемого путешественника ждет сильнейшая вспышка рентгеновских и гамма – лучей, губительная для всего губительного. И т.д.

Что же происходит, когда черная дыра переходит в другую часть Вселенной или проникает в иную вселенную? Рождение черной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией пространства – времени происходит нечто необычное – пространство и время меняется ролями. То, что во внешней Вселенной связывается с расстоянием, под горизонтом черной дыры ведет себя подобно времени, а то, что в нашей Вселенной характеризуется временем, в черной дыре ведет себя как пространство.

Теоретически коллапс должен завершиться образованием сингулярности, т.е. должен продолжаться до тех пор, пока черная дыра не станет нулевых размеров и бесконечной плотности (хотя на самом деле речь должна идти не о бесконечности, а о каких – то очень больших, но конечных

величинах). Во всяком случае, момент сингулярности – это, возможно, момент перехода в другие точки в прошлом или будущем нашей Вселенной.

Много вопросов возникает и вокруг исторической судьбы черных дыр. Долгое время модели черных дыр в теоретической астрофизике создавались на основе представления, что черная дыра характеризуется исключительно тремя параметрами – массой, зарядом и моментом количества движения; все остальные свойства, присущие звездам (плотность, химический состав, давление и др.), здесь теряются. Дальнейшее изучение свойств черных дыр показало, что в некоторых случаях они могут «испаряться». Этот «механизм» связан с тем, что в сильное поле тяготения черной дыры вакуум неустойчив и может рождать частицы (фотоны, нейтрино и др.), которые, улетая, уносят энергию черной дыры. Вследствие этого черная дыра теряет энергию, уменьшается ее масса и размеры. Черные дыры испаряются за счет испускания частиц и излучения, но не из самой черной дыры, а из того пространства, которое находиться перед горизонтом черной дыры. Причем чем меньше черная дыра по массе, тем быстрее она испаряется.

Особенно интенсивные потери энергии свойственны вращающимся черным дырам, обладающим вихревым гравитационным полем, которое создает вокруг черной дыры эргосферу – особую область, которую можно посещать с возвратом назад в свою Вселенную. Если в эргосферу попадает частица с определенной энергией и распадается в эргосфере на две части, одна из которых поглощается черной дырой, а вторая выбрасывается из черной дыры, то энергия выброшенной части будет намного больше энергии исходной частицы перед её попаданием в эргосферу. При этом энергия вращающейся черной дыры уменьшается. Кроме того, в эргосфере интенсивнее, чем в невращающейся черной дыре, протекают процессы квантового рождения частиц и античастиц из неустойчивого физического вакуума. Рожденные таким образом частицы, улетая из эргосферы, уносят с собой часть энергии черной дыры.

Таким образом, черная дыра оказывается достаточно динамичным физическим объектом. С одной стороны, существуют процессы, которые приводят к возрастанию энергии – за счет падения на них газа, излучения, в том числе реликтового, и др. С другой стороны, за счет квантового испарения черная дыра постепенно теряет свою массу и энергию, испаряется. Потому для больших черных дыр квантовые процессы потери энергии и массы совершено ничтожны. Но их значение возрастает с уменьшением массы черной дыры.

А размеры черных дыр могут быть различными: от массы галактики до песчинки. Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу ее радиуса. Это значит, что массивные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях эволюции Вселенной, и сейчас существуют, причем, возможно, даже в пределах Солнечной системы. Их пытаются обнаружить с помощью гамма – телескопов. А маломассивные черные дыры, теряя массу, разогреваются и излучают еще сильнее. В конце концов они должны взорваться и, по – видимому, полностью исчезнуть, породив мощную вспышку жесткого гамма – излучения.

комментарии (0)

Здесь пока нет комментариев

Ваш комментарий может быть первым

Это только предварительный просмотр

3 страница на 5 страницах

Скачать документ