Занятие внеурочной деятельности по физике Тема: «Черные дыры - загадка Вселенной»
план-конспект занятия по физике (11 класс) на тему

Занятие внеурочной деятельности по физике

Тема:  «Черные дыры - загадка Вселенной»

                      Как образуются черные дыры?                                                  Приложение №1

    Из курса физики известно, что чем больше космическое тело, тем большую скорость нужно набрать, чтобы навсегда покинуть его. Эта скорость называется второй космической, и для Земли равна 11 км/сек. Но вторая космическая скорость тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус небесного тела, т.к. с увеличением массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает. На Солнце 2-я космическая скорость равна 620 км/сек, но на его поверхности. Если же представить, что Солнце сжали до радиуса 10 километров, оставив при этом массу прежней, то 2-я космическая скорость увеличится до половины скорости света или 150 тысяч километров в секунду! Значит, если радиус Солнца уменьшать еще дальше (оставляя массу неизменной), то наступит такой момент, когда вторая космическая скорость достигнет световой или 300 000 км/сек!    Это значит, что небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость превышает скорость света, становится невидимой для внешнего наблюдателя! Иначе, свет пытается вырваться в пространство, но гравитация не позволяет ему этого сделать, и со стороны мы можем видеть лишь черное пятно в космосе, проще говоря, некую дыру! Итак, мы убедились, что могут существовать невидимые небесные тела, которые в реальности существуют, но не могут быть наблюдаемы с Земли в виду отсутствия излучения от них.

     Все это казалось убедительным до того, как научный мир не познакомился в начале 20 века с теорией великого физика – Альберта Эйнштейна. Общая теория относительности позволила сделать большой шаг к определению черной дыры в современном ее понимании. Чтобы понять суть различия между тяготением по Ньютону и тяготением по Эйнштейну, вернемся к опыту со сжатием Солнца. Закон Ньютона гласит, что при сжатии вдвое гравитация возрастает вчетверо, но Эйнштейну удалось блестяще доказать, что гравитация будет расти быстрее, и чем дальше мы сжимаем тело, тем быстрее будет расти гравитация. Если следовать ньютоновскому тяготению, то гравитация станет бесконечно большой, если радиус станет равным 0. Эйнштейн же нашел, что тяготение становится бесконечным при так называемом гравитационном радиусе небесного тела. Сфера описываемся таким радиусом, называется также сферой Шварцшильда. Иначе, тело не сожмется в точку, оно будет иметь определенные размеры, но гравитацию, стремящуюся к бесконечности. Гравитационный радиус напрямую зависит от массы небесного тела. Например, гравитационный радиус Земли равен 10мм (при настоящем – 6400км), а для Солнца 3000м (700000 км).

     Итак, теория гласит о том, что любое небесное тело (звезда, планета) сжавшееся до гравитационного радиуса, перестает быть источником излучения, т.к. свет или любое другое излучение не может покинуть данное тело по причине того, что 2-я космическая скорость от гравитационного радиуса и меньше будет выше скорости света. Остается один вопрос: что и каким образом может сжать звезду до гравитационного радиуса. Ответ: сама звезда! Пока звезда «живет» внутри ее происходят термоядерные реакции создающие потоки излучения к поверхности газового шара. Но вещество (водород) для реакций ограничено, и за время от нескольких десятков миллионов до миллиардов лет иссякает.

После того, как водородное топливо будет израсходовано, внутреннее давление создаваемое ранее реакциями исчезнет, и звезда начнет сжиматься под действием собственной гравитации примерно так, как мы сжимает руками большой кусок ваты. Некоторые звезды сжимаются очень быстро – катастрофически. Происходит так называемый гравитационный коллапс, и образуется черная дыра.

Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно. На практике же известно, что черные дыры возникают только в результате коллапса огромных звезд, превышающих Солнце по массе в 20-30 раз.

              Как обнаружить черные дыры?                                                     Приложение №2

     Теоретически черные дыры существуют, но как найти их практически? Ведь, по словам знаменитого философа Конфуция, приходится искать черную кошку в темной комнате, и неизвестно есть ли она там вообще. Поиск таинственных объектов начинался с рентгеновских источников излучения, т.е. тех, которые излучают всем известные лучи Рентгена, широко использующиеся в медицине для съемки костей и внутренних органов человека. У рентгеновских источников есть замечательное свойство: они излучают только при нагревании окружающего газа до сверх высоких температур. Но чтобы нагреть газ до такой температуры, нужно чтобы поле тяготения было очень сильным. Такими полями обладают сжавшиеся звезды (белые карлики, нейтронные звезды и…. черные дыры!).

  Но если белые карлики можно наблюдать непосредственно, то как вычислить черную дыру? Астрономы разрешили и эту задачу. Выяснилось, что если сжавшаяся звезда имеет массу в два раза превышающую массу Солнца, то самый вероятный кандидат в черные дыры. Измерить же массу небесного тела легче всего если он существует в паре с другим, проще говоря, в двойной системе по его орбитальному движению. Поиск подобных двойных систем, которые к тому же излучают в рентгене увенчался успехом. Астрономы нашли такую систему в созвездии Лебедя, выяснив что, по крайней мере, один из компонентов обладает массой, превышающей критическую, т.е. более двух солнечных масс. Созвездие Лебедя лучше всего наблюдать летом и осенью, когда оно видно прямо над головой. Объект был назван Лебедь Х-1, и является первым объектом – кандидатом в черные дыры. Он расположен на расстоянии 6000 световых лет от Земли и состоит из двух тел: нормальной звезды-гиганта массой около 20 солнц и невидимый объект массой 10 солнц, излучающий в рентгеновском диапазоне.

  Но как же может излучать черная дыра, если ничто не может покинуть ее! Да, это верно, но дело в том, что излучает не сама черная дыра, а лишь вещество, падающее на черную дыру. Именно по излучению падающего вещества мы можем оценивать присутствие черной дыры.

   Обладая мощным тяготением, черная дыра забирает у своего компаньона часть вещества, как бы высасывает материю, которая по спирали устремляется к черной дыре. Чем ближе вытягиваемое вещество к черной дыре, тем сильнее оно разогревается и, наконец, начинает излучать в рентгеновском диапазоне, что и фиксируют земные приемники излучения. При достижении окрестностей гравитационного радиуса (откуда еще может вырваться излучение) газ разогревается до 10 миллионов градусов, а рентгеновская светимость этого газа в тысячи раз превосходит светимость Солнца во всех диапазонах! Вспышки излучения видны не менее, чем в 200 километрах от центра черной дыры, а ее действительные размеры составляют около 30 километров.

   Итак, черные дыры можно обнаружить по рентгеновскому излучению, испускаемому во время аккреции вещества на них, и чтобы произвести перепись подобных источников, в околоземное комическое пространство были запущены спутники с рентгеновскими телескопами на борту. Занимаясь поиском источников Х-лучей, космические обсерватории «Чандра» (Chandra) и «Росси» (Rossi) обнаружили, что небо заполнено фоновым рентгеновским излучением, и является в миллионы раз более ярким, чем в видимых лучах. Значительная часть этого фонового рентгеновского излучения неба должна исходить от черных дыр.

   Заполняя пространство рентгеновскими лучами, они, тем не менее, не желают показывать свое истинное «лицо». Но чтобы построить четкую теорию связи фонового рентгеновского излучения с черными дырами, необходимо знать их количество. На данный момент космическим телескопам удалось обнаружить лишь небольшое количество сверхмассивных черных дыр, существование которых можно считать доказанным. Косвенные признаки позволяют довести количество наблюдаемых черных дыр, ответственных за фоновое излучение, до 15%. Приходится предполагать, что остальные сверхмассивные черные дыры просто прячутся за толстым слоем пылевых облаков, которые пропускают только рентгеновские лучи высокой энергии или же находятся слишком далеко для обнаружения современными средствами наблюдений.

Сверхмассивная черная дыра (окрестности) в центре галактики M87 (рентгеновское изображение). Виден выброс (джет) от горизонта событий.

Поиск скрытых черных дыр — одна из главных задач современной рентгеновской астрономии. Последние прорывы в этой области, связанные с исследованиями при помощи телескопов «Чандра» и «Росси», тем не менее охватывают лишь низкоэнергетический диапазон рентгеновского излучения — приблизительно 2000–20 000 электрон-вольт (для сравнения, энергия оптического излучения — около 2 электрон-вольт). Существенные поправки в эти исследования может внести европейский космический телескоп «Интеграл» (Integral), который способен проникнуть в еще недостаточно изученную область рентгеновского излучения с энергией 20 000–300 000 электрон-вольт. Важность изучения этого типа рентгеновских лучей состоит в том, что хотя рентгеновский фон неба имеет низкую энергетику, но на этом фоне проявляются множественные пики (точки) излучения с энергией около 30 000 электрон-вольт. Ученые еще только приоткрывают завесу тайны того, что порождает эти пики, а «Интеграл» — первый достаточно чувствительный телескоп, способный найти подобные источники рентгеновских лучей. По предположению астрономов, лучи высокой энергии порождают так называемые Комптон-объекты (Compton-thick), то есть сверхмассивные черные дыры, окутанные пылевой оболочкой. Именно Комптон-объекты ответственны за пики рентгеновского излучения в 30 000 электрон-вольт на поле фонового излучения.

  Но, продолжая исследования, ученые пришли к выводу, что Комптон-объекты составляют лишь 10% от того числа черных дыр, которые должны создавать пики высоких энергий. Это — серьезное препятствие для дальнейшего развития теории. Значит, недостающие рентгеновские лучи поставляют не Compton-thick, а обычные сверхмассивные черные дыры? Тогда как быть с пылевыми завесами для рентгеновских лучей низкой энергии.? Ответ, похоже, кроется в том, что многие черные дыры (Комптон-объекты) имели достаточно времени, чтобы поглотить весь газ и пыль, которые окутывали их, но до этого имели возможность заявить о себе рентгеновским излучением высокой энергии. После поглощения всего вещества такие черные дыры уже оказались неспособными генерировать рентгеновское излучение на горизонте событий. Становится понятно, почему эти черные дыры нельзя обнаружить, и появляется возможность отнести недостающие источники фонового излучения на их счет, так как хотя черная дыра уже не излучает, но ранее созданное ей излучение продолжает путешествие по Вселенной.

  Тем не менее, вполне возможно, что недостающие черные дыры более скрыты, чем предполагают астрономы, то есть то, что мы не их видим, вовсе не значит, что их нет. Просто пока у нас не хватает мощности средств наблюдений, чтобы увидеть их. Проникновение в глубокую Вселенную позволит обнаружить прячущиеся черные дыры, найти недостающее звено для фонового излучения и пролить свет на их активность в раннюю эпоху Вселенной.

                     Черные дыры – угроза материи?                                         Приложение №3

    Самые большие из черных дыр - супермассивные, которые в миллионы и миллиарды раз превышают массу Солнца, а каждая из них находится в центре большинства галактик.    Некоторые черные дыры считаются более активными, чем их спокойные соседи. Активные черные дыры поглощают окружающее вещество, а если в поле тяготения попадет «зазевавшаяся» звезда, пролетающая мимо, то она непременно будет «съедена». Поглощаемое вещество, падая на черную дыру, нагревается до огромных температур, и испытывает вспышку в гамма, рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне.

    Многие представляют черную дыру своеобразным «космическим пылесосом», втягивающим в себя окружающее пространство. Но, это не так. Они будут всасывать материю, которая находится на определенном расстоянии, а в остальном они действуют не иначе, чем массивные звезды. На самом деле, черные дыры — это обычные космические объекты, обладающие исключительно сильным гравитационным полем.

Если бы на месте Солнца возникла черная дыра таких же размеров, Земля не была бы втянута внутрь, она вращалась бы по той же орбите, что и сегодня. Расположенные рядом с черными дырами звезды теряют часть массы в виде звездного ветра (это происходит в процессе существования любой звезды) и черные дыры поглощают только эту материю.

   Пройдя около Земли, черная дыра вполне может своим тяготением изменить форму Земли и начать затягивать ее вещество внутрь себя. Но подобное событие крайне маловероятно, тем более, как было сказано, ближайшие из них находятся на расстоянии в несколько тысяч световых лет. Поэтому даже если допустить, что черная дыра вдруг направится к Земле, то достичь она сможет ее только через несколько тысяч лет, и это при том, что двигаться она будет со скоростью света. При этом должно соблюдаться условие точной направленности к Земле, что на таком расстоянии теряет всякий смысл. Поэтому с полной уверенностью можно сказать, что гибель от черной дыры человечеству не грозит….