Чорні діри

Реферат

«Чорні діри»


Зміст

Вступ

1. Структура чорної діри

2. Випромінювання чорної діри

3. Еволюція зірок

Висновок

Список використовуваної літератури


Вступ

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 109 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 межами астрономії та 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. Уілер в 1967 році однак перші пророкування 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

Вдалині від чорної діри простір-час майже плоске і там світлові промені поширюються прямолінійно. Це - важливий факт. Промені світла що проходять ближче до чорної дірки 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 дірки. Ця сфера навколо чорної діри іноді називається «Фотон сферою» або - фотонів 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 цей світ захоплюється на фотонних сферу.

Слід пам'ятати що ці кругові орбіти на фотонів 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 коли промінь світла хоч трохи відхилиться від свого ідеального кругового шляху на фотонів 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 фотонами сфери. Саме в цьому сенсі говорять про нестійкість всіх кругових орбіт на фотонів сфері.

Нарешті ті промені світла які націлені майже прямо на чорну діру «всмоктуються» в неї. Такі промені назавжди йдуть з зовнішнього світу чорна діра їх буквально поглинає.

Представлений тут сценарій описує поведінку самого простого з можливих типів чорних дір. У 1916 р. всього через кілька місяців після того як Ейнштейн опублікував свої рівняння гравітаційного поля німецький астроном Карл Шварцшильда 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 у неї були б якесь «привілейоване» напрям а саме діра мала б віссю обертання. Рішення Шварцшильда вільно від подібних ускладнень. Така шварцшільдовська чорна діра представляє собою найпростіший з усіх можливих типів чорної діри. Ми обмежимося розглядом лише цього простого випадку.

Зрозуміти природу шварцшільдовської 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 у 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 розповсюдження. Спочатку промені що 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. Врешті-решт 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 вмикає 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 скривилося 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 сингулярності.

Перш за все чорну діру оточує фотонна сфера що складається з променів світла що рухаються по нестійким кругових орбітах. Всередині фотонів сфери знаходиться горизонт подій - односторонньо 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 фотонних 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 убуває з неймовірною швидкістю. Через всього 1 / 1000 з після початку гравітаційного колапсу конус виходу стає настільки вузьким що лише одна квадрильйон (10 ~ 15!) Світла зірки може вислизнути в зовнішню Всесвіт. Усього мить і колишня яскрава зірка стає майже зовсім чорної.

Одночасно з швидким ослабленням яскравості вмираючої зірки вступає в гру й інший важливий ефект. Тяжіння викликає уповільнення перебігу часу. Цей ефект іменується гравітаційним червоним зміщенням бо світло яке випускається атомами зануреними у гравітаційне поле «зміщується» у бік більш довгих хвиль. Тому в ході посилення гравітаційного поля поблизу зірки в процесі її колапсу світло яке випускається атомами на поверхні цієї зірки відчуває все більшу і більшу червоне зміщення. Тому для спостерігає її з боку астронома коллапсуюча зірка стає одночасно і слабкою і випромінюючої світло все більш довгих (більш «червоних») хвиль.

2. Віпромінювання 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 що летять завжди зі швидкістю світла і не мають власної маси спокою. До них відносяться 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 випромінюється 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; 1017-1016 р вище 109-1010 К. Ці чорні діри породжують крім перерахованих частинок електронно-позитронні пари. Зауважимо що розміри таких чорних дір становлять усього 1011см (в 1000 разів менше розміру атома).

Ще менші чорні діри масою <5 • 1014 р здатні випромінювати мюони і більш важкі елементарні частинки. Чорна діра масою 1014 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 1015г то всі вони повинні до нашого часу випаруватися. З цієї причини процес відкритий Хоукінг має дуже важливе значення для космології. Процес випаровування первинних чорних дірок веде до випромінювання високочастотних фотонів - гамма-випромінювання. Так чорні діри масою близько 1015 р 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 1015 р у Всесвіті має бути в середньому не більше ніж десять тисяч на кожен кубічний парсек. Якщо б їх було більше то загальна кількість гамма-квантів з енергією близько 100 МеВ було б більше спостережуваного зараз потоку гамма-квантів з космосу.


3. Еволюція зірок

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 все пальне. Для розуміння того що ж підтримує структуру білого карлика розглянемо речовину в серцевині колапсуючої вмираючої зірки. У міру стиснення зірки тиску і щільності стають такі 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 два електрони одночасно не можуть займати одне і те ж місце якщо їх швидкості і спіни однакові. У міру стиснення вмираючої зірки електрони піддаються 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 стиск (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 детальні розрахунки структури білих карликів Чандрасекара 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 сонячної то навіть потужних сил між виродженими електронами недостатньо для того щоб протистояти нищівного тиску горішніх шарів зірки. Цей критичний межа маси - близько 1 25 маси Сонця-називається межею Чандрасекара.

Так як білі карлики вельми звичайні 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 нове ще більш могутнє тиск здатний зупинити стиск 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 що 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 почала слабшати і незабаром зовсім пропала з поля зору.

Коли сучасні астрономи направили свої телескопи на те місце неба де за давніми записами з'явилася «зірка-гостя» вони виявили чудову Крабоподібна туманність. Крабоподібна туманність є прекрасним прикладом залишку вибуху наднової а давньокитайських астрономам настільки пощастило що вони побачили вмираючу зірку коли вона скидала свою атмосферу.

Наприкінці 1968 астрономів чекала нова радість: був виявлений пульсар який знаходиться точно посередині Крабоподібної 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 вмираючі 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 володіють магнітними полями. У звичайних умовах обидва цих 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 у 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. То магнітне поле яке спочатку було розподілено на великій площі зосереджується на декількох сотнях квадратних кілометрів.

Страницы: 1 2