Реферат по теме: «Загадки Черных дыр»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 22 станицы Отрадной муниципального образования Тихорецкий район

Реферат

по теме  «Загадки Чёрных дыр»

                                                                     Выполнила: ученица 7 класса

                                                                     Ямчицкая Анастасия

                                                                     Преподаватель: Лаврова Наталья

                                                                     Владимировна

2016 год

СОДЕРЖАНИЕ

1. Содержание …………………………………………………………………….2

2. Введение…………………………………………………………………..….…3

3. Что такое Чёрная дыра?......................................................................................4

4. Решение Шварцшильда………………………………………………….….….5

5. Как возникают Чёрные дыры?...........................................................................6

6. Механические свойства мембраны Чёрной дыры……………………….…...8

7. Первичные Чёрные дыры……………………………………………….……..9

8. Слияние Чёрных дыр…………………………………….………………........10

9. Внутренняя часть Чёрной дыры……………………………………..….……11

10. Падение в астрофизическую Чёрную дыру.. ………………………...…....12

11. Литература……………………………………………………….……..……13

ВВЕДЕНИЕ

Черная дыра является одни из самых интересных и загадочных объектов Вселенной. Изучение черных дыр, позволило человеку расширить знание о пространстве и времени. Астрономия, астрофизика и космология – эти науки уже много лет занимаются изучением черных дыр.

Цель моего реферата: узнать какие загадки хранит в себе черная дыра.

 ЧТО ТАКОЕ ЧЕРНАЯ ДЫРА?

Сложно ответить точно на вопрос: «Что такое черная дыра?», однако, черная дыра представляет собой  область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света.

Граница черной дыры называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом.

Точный изобретатель термина «черная дыра» неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уиллером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» 29 декабря 1967 года. Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары», а также «застывшие звёзды».

Также чёрными дырами часто называют объекты, лишь приближающиеся по своим свойствам к чёрной дыре — например, это могут быть коллапсирующие звёзды на поздних стадиях коллапса. В современной астрофизике этому различию не придаётся большого значения, так как наблюдаемые проявления «почти сколлапсировавшей» («замороженной») звезды и «настоящей» («извечной») чёрной дыры практически одинаковы. Это происходит потому, что отличия физических полей вокруг коллапсара от таковых для «извечной» чёрной дыры уменьшаются по степенным законам с характерным временем порядка гравитационного радиуса, делённого на скорость света — то есть за доли секунды для чёрных дыр звёздных масс и часы для сверхмассивных чёрных дыр.

РЕШЕНИЕ ШВАРЦШИЛЬДА

Две важнейшие черты, присущие чёрным дырам в модели Шварцшильда — это наличие горизонта событий (он по определению есть у любой чёрной дыры) и сингулярности, которая отделена этим горизонтом от остальной Вселенной.

Решением Шварцшильда точно описывается изолированная не вращающаяся, незаряженная и неиспаряющаяся чёрная дыра (это сферически симметричное решение уравнений гравитационного поля (уравнений Эйнштейна) в вакууме). Её горизонт событий — это сфера, радиус которой, называется гравитационным радиусом или радиусом Шварцшильда.

Средняя плотность падает с ростом массы чёрной дыры. Так, если чёрная дыра с массой порядка солнечной обладает плотностью, превышающей ядерную плотность, то сверхмассивная чёрная дыра с массой в 109 солнечных масс обладает средней плотностью порядка 20 кг/м³, что меньше плотности воды. Следовательно, чёрную дыру можно получить не только сжатием имеющегося объёма вещества, но и экстенсивным путём, накоплением огромного количества материала.

КАК ВОЗНИКАЮТ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ?

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

• Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды на конечном этапе её эволюции.
• Коллапс центральной части галактики или пра-галактического газа. Современные представления помещают огромную чёрную дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик.
• Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.
• Возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях высоких энергий — квантовые чёрные дыры.

Черные дыры не могут быть замечены непосредственно, но астрономы могут видеть доказательство их существования, когда газы извергаются на звезду - спутник. Если взорвать динамит, то крошечные осколки взрывчатого вещества глубоко вонзятся в ближайшие объекты, таким образом оставляя несмываемый доказательство произошедшего взрыва. Астрономы нашли подобный отпечаток на звезде, которая движется по орбите вокруг чёрной дыры, небезосновательно полагая, чтобы данная чёрная дыра - бывшая звезда, которая разрушилась настолько сильно, что даже свет не может преодолеть её силу гравитации, - возникла в результате взрыва сверхновой звезды. К этому времени, астрономы наблюдали взрывы сверхновых звёзд и обнаружили на их месте пятнистые объекты, которые, по их мнению, и являются чёрными дырами.

Как известно, «черные дыры» нельзя обнаружить непосредственными наблюдениями — их существование устанавливается по тому мощному влиянию, которое они оказывают на другие объекты или по мощному рентгеновскому излучению. 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  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.

Американским астрономам удалось зафиксировать рентгеновское излучение от супермассивных черных дыр, которые до недавнего времени считались "тихими". Эти дыры существуют в центрах самых старых и самых массивных галактик и имеют массу сравнимую с массой миллиардов Солнц, сжатую до размеров Солнечной системы. В то время, как небольшой процент супермассивных черных дыр излучают мощные рентгеновские потоки (известны как активное галактическое ядро), огромное большинство массивных черных дыр рентгеновским излучением не обладает. Последние наблюдения показали, что "тихие" супермассивные черные дыры также имеют рентгеновское излучение, но гораздо меньшее чем активное галактическое ядро. Новые результаты вселяют надежду, что супермассивные черные дыры присутствуют во всех галактиках, в том числе и нашей, и могут стать ключом в вопросе происхождения Вселенной.

МЕХАНИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА  МЕМБРАНЫ  ЧЕРНОЙ  ДЫРЫ

Черная дыра – это сгусток гравитации, на ее горизонте нет вещества. Несмотря на это, горизонт выглядит для внешнего наблюдателя (вне черной дыры) и ведет себя как физическая мембрана, сделанная из двумерной вязкой жидкости с определенными механическими, электрическими и термодинамическими свойствами. Эта удивительная точка зрения, при которой горизонт рассматривается как мембрана, известна как мембранная парадигма . Очень важно подчеркнуть, что мембранная парадигма не есть метод приближения или некоторая аналогия. Это точный формализм, который дает те же самые результаты, что и стандартный формализм общей теории относительности.

ПЕРВИЧНЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Процессы образования первичных черных дыр с массой, меньшей солнечной, могли происходить лишь в адронную эру, когда средняя плотность вещества была достаточно высока. Первичных черных дыр образуется тем больше, чем больше была амплитуда начальных неоднородностей и чем «мягче» уравнения состояния вещества в момент их образования. Дальнейшая судьба первичных черных дыр зависит от их массы. Черные дыры с массой от 1015 до 1033 г могли бы доживать до настоящего времени и оказаться «живыми свидетелями» процессов, происходивших во времени 10-23—10-5 с после «большого взрыва». Черные дыры с массами М≈1014,5 должны испаряться в настоящую эпоху. Как только масса становится меньше 1014 г, черная дыра начинает испускать адроны. Первичные черные дыры меньшей массы должны были взорваться вскоре после своего возникновения.

СЛИЯНИЕ ЧЕРНЫХ ДЫР

Слияние двух черных дыр – одно из самых странных и загадочных процессов, которые должны происходить во Вселенной и которые современная астрономия жаждет увидеть непосредственно в реальности. Астрономы ранее высказывали предположение, что при столкновении галактик черные дыры, находящиеся в их центрах, могут сливаться. Компьютерные модели подтверждают, что такие колоссальные события действительно происходят с частотой примерно раз в год.

Некоторые галактики выбрасывают потоки энергии в двух противоположных направлениях вдоль оси вращения. Предполагается, что эти потоки возникают под воздействием черных дыр, которые нельзя увидеть непосредственно. Исследуя галактики с помощью радиотелескопа, ученые обнаружили, что у 7% галактик наблюдается внезапный сдвиг в направлении энергетических потоков. Изменение направления потоков свидетельствует о нарушении равновесия в галактической системе.

Ученые пока не могут объяснить, что притягивает черные дыры друг к другу после того, как они лишаются своего окружения. Но когда расстояние между ними уменьшается до размера солнечной системы, черные дыры начинают испускать энергию в виде гравитационных волн. Затем они начинают неуклонно скользить навстречу, все быстрее и быстрее закручиваясь в спираль. Финальное слияние вызывает сильнейший выброс гравитационной энергии.

Исследование галактик, испускающих гравитационные потоки, позволяет предположить, что подобные гигантские столкновения происходят в окружающей нас вселенной примерно раз в год.

ВНУТРЕННЯЯ ЧАСТЬ ЧЁРНОЙ ДЫРЫ

Что находится внутри черной дыры? Этот вопрос очень активно исследовался в последние десятилетия, и в этих исследованиях достигнут значительный прогресс. Мы узнали некоторые важные свойства внутренности реалистичной черной дыры, но некоторые детали и ключевые проблемы все еще остаются предметом интенсивных дискуссий.

Очень важным моментом в проблеме описания внутренности черной дыры является тот факт, что путь в гравитационную бездну внутренности черной дыры является, по существу, эволюцией во времени.

Главная трудность состоит в том, что внутренняя структура типичной черной дыры даже вскоре после ее образования решающим образом зависит от условий на горизонте событий в очень удаленном будущем внешнего наблюдателя (формально в бесконечном будущем). Это происходит потому, что светоподобный сигнал может приходить из очень удаленного будущего в те области внутри черной дыры, которые расположены достаточно глубоко. Предельные светоподобные сигналы, которые распространяются из (формально) бесконечного будущего внешнего наблюдателя, формируют границу внутри черной дыры, которая называется горизонтом  Коши.

Таким образом, структура областей внутри черной дыры решающим образом зависит от судьбы черной дыры в бесконечном будущем внешнего наблюдателя, например, от конечного состояния испарения черной дыры, от возможных столкновений черной дыры с другими черными дырами и от судьбы самой Вселенной.

ПАДЕНИЕ В АСТРОФИЗИЧЕСКУЮ ЧЕРНУЮ ДЫРУ

Тело, свободно падающее под действием сил гравитации, находится в состоянии невесомости и испытывает действие только приливных сил, которые при падении в чёрную дыру растягивают тело в радиальном направлении, а в тангенциальном — сжимают. Величина этих сил растёт и стремится к бесконечности при  (где r — расстояние до центра дыры).

В некоторый момент собственного времени тело пересечёт горизонт событий. С точки зрения наблюдателя, падающего вместе с телом, этот момент ничем не выделен, однако возврата теперь нет. Тело оказывается в горловине (её радиус в точке, где находится тело, и есть ), сжимающейся столь быстро, что улететь из неё до момента окончательного схлопывания (это и есть сингулярность) уже нельзя, даже двигаясь со скоростью света.

С точки зрения удалённого наблюдателя, падение в чёрную дыру будет выглядеть иначе. Пусть, например, тело будет светящимся и, кроме того, будет посылать сигналы назад с определённой частотой. Вначале удалённый наблюдатель будет видеть, что тело, находясь в процессе свободного падения, постепенно разгоняется под действием сил тяжести по направлению к центру.  Цвет тела не изменяется, частота детектируемых сигналов практически постоянна.

ЛИТЕРАТУРА

1.Что Есть Что – «Звезды», Хабер Х., 1994

2.Физика черных дыр, И. Д. Новиков, В. П. Флоров, 1986

3. Концепции современного естествознания, Х. Карпенков, 2003

4.Материалы из интерната, сайт: ru/wikipedia.org