Чёрные дыры

СОДЕРЖАНИЕ:

1.        ВВЕДЕНИЕ

2.  Актуальность данной темы…………………………………………………………..…………1   

1.2  Формирование Чёрных дыр……………………………………………………………..……...2

2.        ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ О ЧЁРНЫХ ДЫРАХ

2.1 Чёрные дыры во Вселенной…………………………………………………………..............….4

2.2 Образование чёрных дыр………………………………………………………………………...5

2.3 Эволюция чёрных дыр…………………………………………………………………………...6

2.4        Разновидности чёрных дыр………………………………………………………....7

2.4.1  Чёрные дыры звёздных масс

2.4.2 Сверхмассивные чёрные дыры

2.4.3 Первичные чёрные дыры

2.4.4 Квантовые чёрные дыры

2.5 Ближайшая чёрная дыра к Земле…….……………………………………………......10

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ ЧЁРНЫХ ДЫР

4.1 Превращение Солнца в чёрную дыру……………………………………….............................11

5.1 Вывод…………………………………………………………………………………………….12

5. ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………………………………13

Актуальность данной темы

Во вселенной немало загадочных и недостаточно изученных объектов. Таких как квазары, нейтронные звезды, темная энергия и темная материя. Но, конечно же, одними из самых интересных объектов является черные дыры.

Черная дыра, возможно, наиболее фантастическая из всех концепций, созданных человеческим разумом. Черные дыры – это и не тела, и не излучение. Они представляют собой сгустки гравитации. Изучение природы черных дыр позволяет существенно расширить наше знание о фундаментальных свойствах пространства и времени. Наиболее замысловатые свойства структуры физического вакуума проявляются в окрестностях черных дыр, где возникают квантовые процессы. Еще более мощные (катастрофически мощные) квантовые процессы происходят внутри самой черной дыры (в окрестности сингулярности). Можно сказать, что черные дыры открывают путь в новое, очень широкое поле познания физического мира.

Тема черных дыр является одной из актуальнейших тем современной астрономии, астрофизики и космологии, так как эти объекты помогают лучше понять устройство нашей вселенной, с момента большого взрыва по настоящий день, а также позволят понять, что будет с нашей вселенной.

Целью моего реферата является понимание того, что такое чёрная дыра. Перед собой я ставлю проблему изучения природы чёрных дыр, возможных механизмов их образования и эволюции. В своем реферате я расскажу о разных типах черных дыр, их слиянии, термодинамике. Одной из важных задач, которую я ставлю перед собой, является изучение и осмысление таких понятий, как горизонт событий, сингулярность, аккреция.

1

Формирование Чёрных дыр

Как же всё-таки возникли чёрные дыры? Коллапс ядра массивной звезды — наиболее очевидный способ возникновения чёрной дыры. До того как в звезде не истощился запас термоядерного топлива, ее постоянство поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д.). Тепло которое выделяется при этом, компенсирует потерю энергии, теряющаяся звездой с ее излучением и солнечным ветром. Сжатию звезды под действием собственной гравитации препятствуют термоядерные реакции, так как поддерживают высокое давление в недрах. Однако водородное топливо со временем кончается, и звезда начинает сжиматься.

Ядро звезды сжимается быстрее всего. При переходе гравитационной энергии в тепло ядро сильно нагревается само, а также окружающую его оболочку. Звезда в итоге теряет свои внешние слои в виде катастрофически сброшенной оболочки сверхновой или медленно расширяющейся планетарной туманности. Дальнейшая судьба звезды зависит от её массы. По расчетам, если масса ядра звезды не больше чем масса 3х Солнц, то ее сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и звезда превратится в нейтронную звезду или в белый карлик. Но если ядро имеет вес больше трех солнечных масс, то остановить его катастрофический коллапс уже невозможно, и оно быстро уйдет под горизонт событий, превратившись в черную дыру.

Астрономические исследования хорошо сходятся с этими расчетами: все элементы двойных звездных систем, проявляющие свойства черных дыр (на данный момент их известно около 20), имеют от 4 до 16 солнечных масс. Концепция звездной эволюции показывает, что за время существования нашей Галактики, в результате коллапса наиболее массивных звезд должно было сформироваться несколько десятков миллионов черных дыр. Кроме того, сверхмассивные черные дыры (от миллионов до миллиардов солнечных масс) являются ядрами крупных галактик, в том числе, и нашей. Способы образования этих сверхгигантских чёрных дыр пока не известны.

Если в наше время необходимая плотность вещества для рождения чёрной дыры, может возникнуть лишь в сжимающихся ядрах погибающих звезд, то на рассвете Вселенной, сразу после Большого взрыва, высокая плотность материи была повсеместно. Поэтому небольшие изменения плотности могли приводить к формированию черных дыр любой массы. Самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться. Самые первые чёрные дыры с массой более 1012 кг могли сохраниться до наших дней. Самые мелкие из них, с массой как у небольшого астероида, должны иметь размер порядка 10–15 м, сопоставимый с размерами протона или нейтрона.

Кроме того, существует гипотетическая возможность рождения микроскопических черных дыр при взаимных соударениях быстрых элементарных частиц. Таков один из прогнозов

2

теории струн – одной из физических теорий строения материи. Согласно теории струн, пространство имеет более трех измерений. Гравитация, в отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому существенно усиливаться на коротких расстояниях. При столкновении двух частиц, они могут сжаться достаточно сильно, чтобы появилась микроскопическая черная дыра. После этого она почти мгновенно «испарится» (разрушится), но наблюдение за этим процессом представляет для физики большой интерес, поскольку, испаряясь, дыра будет испускать все существующие в природе виды частиц.

3

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ О ЧЁРНЫХ ДЫРАХ

Черные дыры во Вселенной

Черная дыра - космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности. Сам термин "черная дыра" введен в науку американским физиком Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды.

Черная дыра - область в пространстве, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют «горизонтом событий». Поскольку до сих пор имеются лишь косвенные указания на существование черных дыр на расстояниях в тысячи световых лет от Земли, наше дальнейшее изложение основывается главным образом на теоретических результатах.

Астрономы пришли к заключению, что черные дыры не рождаются огромными, а постепенно растут за счет газа и звезд галактик. Данные показывают, что гигантские черные дыры не предшествовали рождению галактик, а эволюционировали вместе с ними, поглощая определенный процент массы звезд и газа центральной области галактики. Это означает, что в меньших галактиках черные дыры менее массивны, их массы составляют не многим более нескольких миллионов солнечных масс. Черные дыры в центрах гигантских галактик, включают в себя миллиарды солнечных масс. Все дело в том, что окончательная масса черной дыры формируется в процессе формирования галактики. В некоторых случаях черные дыры увеличиваются не только за счет поглощения газа отдельной галактики, но и путем слияния галактик, в результате чего их черные дыры объединяются.

4

Образование черных дыр

Черные дыры образуются в результате коллапса гигантских нейтронных звезд массой более 3 масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров.  Поскольку черные дыры не светят, то единственный путь судить о них - это наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела.  Имеются косвенные доказательства существования черных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звездах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера, и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше 3 масс Солнца).

Один из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры - это ярчайший источник

рентгеновских лучей в созвездии Лебедя - Лебедь Х-1.

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

1. Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды (более чем 3,6 масс Солнца) на конечном этапе её эволюции.

2. Коллапс центральной части галактики или прагалактического газа. Современные представления помещают огромную чёрную дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик. Например в центре нашей 3. 3. 3. Галактики находится чёрная дыра Стрелец A* массой 4,31х106 М, вокруг которой вращается меньшая чёрная дыра.

4. Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.

5

Эволюция черных дыр

Ученые имеют веские доказательства существования двух различных классов черных дыр: первые - это черные дыры со звездными массами примерно в 10 раз больше Солнца, вторые - сверхмассивные черные дыры, которые располагаются в центре галактик и имеют массу от сотен тысяч до миллиардов масс Солнца. Но продолжает оставаться загадкой, как образуются и существуют черные дыры средней массы? Речь идет о так называемых черных дырах с промежуточными массами в диапазоне между 100 и 10 000 масс Солнца.

Доказательства происхождения этих объектов остается спорным. До сих пор не было обнаружено более чем одной такой черной дыры в одной галактике. Но группа исследователей нашла в результате изучения рентгеновских данных две средние по массе черные дыры в галактике M82, которая находится на расстоянии около 12 миллионов световых лет от Земли.

По особенностям излучения, испускаемого черными дырами в M82, исследователи заключили, что масса одной из черных дыр колеблется в пределах от 12 до 43 тысяч солнечных масс, а масса второй - от 200 до 800 масс Солнца. Первый объект находится на расстоянии 290 световых лет от центра галактики M82. Второй объект, расположен на расстоянии 600 световых лет в проекции от центра галактики.

"Впервые были обнаружены две средние по массе черные дыры в одной галактике, - поделился один из исследователей Хуа Фэн из Университета Цинхуа, Китай. - Их расположение вблизи центра галактики может содержать сведения о происхождении крупнейших черных дыр во Вселенной, таких как сверхмассивные черные дыры, которые найдены в центрах большинства галактик".

Одним из возможных механизмов для формирования сверхмассивных черных дыр является цепная реакция столкновения звезд и компактных звездных скоплений, что приводит к накоплению очень массивных объектов, которые затем формируются в черные дыры промежуточной массы. Далее промежуточные черные дыры притягиваются к центру галактики и сливаются со сверхмассивной черной дырой в центре галактики.

"Мы не можем сказать точно, является ли подобный процесс формирования черных дыр в M82 подтверждением этой теории, но мы точно знаем, что обе эти средние черные дыры расположены вблизи звездных скоплений, - сказал Фил Карет из Университета штата Айова,

один из авторов статьи. - Кроме того, M82 является ближайшей к нам галактикой, где условия аналогичны тем, которые были в ранней Вселенной, с наличием большого количества звезд".

До сих пор астрономы точно не знали, могут ли присутствовать в одной галактике сразу две черные дыры средней массы. Возможно, открытие прольет свет на процессы образования и эволюции сверхмассивных черных дыр в галактиках.

6

Разновидности черных дыр

Чёрные дыры звёздных масс. Чёрные дыры звёздных масс образуются как конечный этап жизни звезды, после полного выгорания термоядерного топлива и прекращения реакции звезда теоретически должна начать остывать, что приведёт к уменьшению внутреннего давления и сжатию звезды под действием гравитации. Сжатие может остановиться на определённом этапе, а может перейти в стремительный гравитационный коллапс. В зависимости от массы звезды и вращательного момента возможны следующие конечные состояния:

Погасшая очень плотная звезда, состоящая в основном, в зависимости от массы, изгелия, углерода, кислорода, неона, магния, кремния или железа (основные элементы перечислены в порядке возрастания массы остатка звезды). Такие остатки называют белыми карликами, масса их ограничивается сверху пределом Чандрасекара.

Нейтронная звезда, масса которой ограничена пределом Оппенгеймера — Волкова.

Чёрная дыра.

По мере увеличения массы остатка звезды происходит движение равновесной конфигурации вниз по изложенной последовательности. Вращательный момент увеличивает предельные массы на каждой ступени, но не качественно, а количественно (максимум в 2—3 раза).

Условия (главным образом, масса), при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению. Дополнительные сложности представляет моделирование звёзд на поздних этапах их эволюции из-за сложности возникающего химического состава и резкого уменьшения характерного времени протекания процессов. Достаточно упомянуть, что одни из крупнейших космических катастроф, вспышки сверхновых, возникают именно на этих этапах эволюции звёзд. Различные модели дают нижнюю оценку массы чёрной дыры, получающейся в результате гравитационного коллапса, от 2,5 до 5,6 масс Солнца. Радиус чёрной дыры при этом очень мал — несколько десятков километров. В последствии чёрная дыра может разрастись за счёт поглощения вещества — как правило, это газ соседней звезды в двойных звёздных системах (столкновение чёрной дыры с любым другим астрономическим объектом очень маловероятно из-за её малого диаметра). Процесс падения газа на любой компактный астрофизический объект, в том числе и на чёрную дыру, называется аккрецией. При этом из-за вращения газа формируется аккреционный диск, в котором вещество разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается и в результате сильно излучает, в том числе и в рентгеновском диапазоне, что даёт принципиальную возможность обнаруживать такие аккреционные диски (и, следовательно, чёрные дыры) при помощи ультрафиолетовых ирентгеновских телескопов. Основной проблемой является малая величина и трудность регистрации отличий аккреционных дисков нейтронных звёзд и чёрных дыр, что приводит к неуверенности в идентификации астрономических объектов с чёрными дырами. Основное отличие состоит в том, что газ, падающий на все объекты, рано или поздно встречает твёрдую поверхность, что приводит к интенсивному излучению при торможении, но облако газа, падающее на чёрную дыру, из-за неограниченно растущего гравитационного замедления времени (красного смещения) просто быстро меркнет при приближении к горизонту событий, что наблюдалось телескопом Хаббла в случае источника Лебедь X-1.

7

Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд,

вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне. 25 августа 2011 года появилось сообщение о том, что впервые в истории науки группа японских и американских специалистов смогла в марте 2011 года зафиксировать момент гибели звезды, которую поглощает чёрная дыра

Сверхмассивные чёрные дыры. Разросшиеся очень массивные чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики — Стрелец A

В настоящее время существование чёрных дыр звёздных и галактических масштабов считается большинством ученых надёжно доказанным астрономическими наблюдениями

Американские астрономы установили, что массы сверхмассивных чёрных дыр могут быть значительно недооценены. Исследователи установили, что для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87 (которая расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть в два раза больше нынешних оценок ядра М87, которые составляют 3 млрд. солнечных масс.

Для чёрной дыры в ядре галактики гравитационный радиус равен 3•1015 см = 200 а. е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона. Критическая плотность при этом равна 0,2•10-3 г/см³, что в несколько раз меньше плотности воздуха.

Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе — их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр.

Квантовые чёрные дыры. Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Её масса — порядка 10−5 г, радиус — 10−35 м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу.

Даже если квантовые чёрные дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным.

В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 1026 эВ. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

8

Эксперименты по протон-протонным столкновениям с полной энергией 7 ТэВ на Большом адронном коллайдере показали, что этой энергии недостаточно для образования микроскопических чёрных дыр. На основании этих данных делается вывод, что микроскопические чёрные дыры должны быть тяжелее 3,5–4,5 ТэВ в зависимости от конкретной реализации.

9

Ближайшая чёрная дыра к Земле

Одна из ближайших к Земле черных дыр V404 Cygni оказалась в два раза ближе, чем считалось до сих пор - она находится на расстоянии всего 7,8 тысячи световых лет. Такие данные были получены в ходе исследования, результаты которого опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

Таким образом, V404 Cygni располагается достаточно близко к Земле, хотя, для сравнения, ближайшая к нашей планете звезда - Проксима Центавра из звездной системы Альфа Центавра - удалена на 4,2 световых года. Из черных дыр ближе всего к нашей планете - в 1600 световых годах - расположен объект V4641.

Черными дырами ученые называют объекты, гравитационное притяжение которых настолько велико, что они "не отпускают" от себя даже излучение. По этой причине наблюдать черные дыры непосредственно нельзя. Об их присутствии ученые судят, в частности, по излучению аккреционного диска - материи, которая падает на дыру.

Авторы новой работы наблюдали, как смещается положение V404 Cygni на небе по мере вращения Земли вокруг Солнца. Такая технология получила название измерения параллакса. Она используется для установления местоположения удаленных объектов. Исследователи работали с системой радиотелескопов High Sensitivity Array. В более ранних исследованиях использовались менее чувствительные приборы, в результате чего ученые недооценивали влияние на наблюдения пыли, заполняющей космическое пространство.

По словам исследователей, новая оценка расстояния до V404 Cygni поможет в изучении эволюции черных дыр. Эти объекты могут образовываться при коллапсе звезд, не превращающихся в сверхновые. Кроме того, рождению черной дыры может предшествовать взрыв сверхновой. В последнем случае образовавшаяся черная дыра будет двигаться с высокой скоростью.

Совсем недавно другая группа астрономов сделала очень важное для изучения черных дыр открытие. Ученые обнаружили промежуточное звено между черной дырой и белым карликом. Обнаруженный исследователями объект образуется в том случае, если "материнская звезда слишком мала для того, чтобы стать черной дырой или нейтронной звездой, но слишком велика для превращения в белого карлика.

10

Превращение Солнца в чёрную дыру

Возьмём на примере Солнце, и рассмотрим какой черной дырой станет эта звезда если это произойдёт. Масса Солнца равна : 2*10^30 кг.

По формуле Шварцшильда выведем диаметр чёрной дыры в которую превратится Солнце. Формула для вычисления: Rш=2GM/c^2. Диаметр черной дыры будет равен 3 километрам.

11

Литература

1.  «Физика черных дыр» 1986г. И.Д. Новиков, В.П. Фролов
2. «Чёрные дыры во Вселенной» — Век 2, 2005г. — (Наука сегодня). А.М. Черепащук.
3. Успехи физических наук. Том 171, №3. Март 2001г. «Черные дыры во вселенной» И.Д. Новиков, В.П. Фролов
4. Использованы материалы с сайтов:

http://biofile.ru/bio/21498.html

http://www.worldview.net.ua/black-holes.html

- ru.wikipedia.org/

- www.dark-universe.ru

13

Вывод

Таким образом, все "элементарные объекты" можно разделить на элементарные частицы (их длина волны больше их гравитационного радиуса) и чёрные дыры (длина волны меньше гравитационного радиуса). Планковская чёрная дыра является пограничным объектом, для неё можно встретить название максимон, указывающее на то, что это самая тяжёлая из возможных элементарных частиц. Другой иногда употребляемый для её обозначения термин — планкеон.

Даже если квантовые чёрные дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным.

В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 1026 эВ. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.