Черные дыры вселенной

Рефераты по астрономии » 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.