Министерство  образования  и  науки  Российской  Федерации

Факультет издательского дела и журналистики

Кафедра физики

                                                                                            
РЕФЕРАТ



Черные дыры
                                              

 Студентка

___________
                                           Научный  руководитель –

___________

Москва 2005

Содержание

Содержание. 2

Введение. 3

Черные дыры – что это?. 6

Как образуются Черные дыры.. 8

Как обнаруживали Чёрные дыры.. 9

Уравнение Шварцшильц. 13

Список использованной литературы.. 15

Введение

На Западе их называют "червоточинами" (wormholes), у нас - пространственно-временными проколами.

Одним из самых парадоксальных объектов, находящихся в космосе, - являются так называемые "черные дыры", или коллапсары - тела бесконечно большой плотности. Сущность данного парадокса заключается в том, что интенсивность гравитационного взаимодействия тел определяется их массой, все же другие известные виды их взаимодействия от массы не зависят. Это означает, что если количество частиц вещества в некоторой области пространства превысит определенное критическое значение, то гравитационные силы будут превалировать над всеми другими, а вследствие того, что гравитационные силы являются всегда силами притяжения, данное тело будет сжиматься. После того как открыли нейтроны, это помогло узнать конечную судьбу тяжелых звезд: огромное тяготение "вдавливает" свободные электроны в протоны, и возникают электрически нейтральные частицы - нейтроны. Рождается нейтронная звезда, вещество которой имеет невероятную плотность. Кусочек такой материи размером с кубик пиленого сахара весит один миллиард тонн, а нейтронная песчинка уравновесила бы мощный электровоз. Поскольку же пространство-время в общей теории относительности предполагается непрерывным, то этому сжатию нельзя положить никакого обоснованного предела. В итоге, согласно данной теории получается, что такое тело должно сжаться в точку, при этом интенсивность гравитационных полей вблизи него возрастает до бесконечности, а пространство искривится настолько, что полностью замкнется, скорость же, необходимая для того чтобы покинуть пределы этого скопления, может сколь угодно превысить скорость света, а значит, ни одна частица вещества и ни один квант излучения не сможет уже этого сделать, то есть образуется объект, способный поглощать в себя любое количество любой материи и ничего не выпускать обратно.Так, любое тело, упавшее на поверхность такого объекта, будет действительно поглощено им безвозвратно вследствие того, что составляющие это тело барионы-вакансии под действием мощных сил тяготения сольются с пузырем, в результате чего тело потеряет всякую индивидуальность и обособленность.

Все чёрные дыры притягивают 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. Поскольку же минимальная скорость, необходимая для того чтобы уйти от этой "дыры", будет меньше скорости света, то любой предмет, не упавший непосредственно на ее поверхность, будет иметь шанс покинуть ее пределы. При падении вещества на поверхность черной дыры, должно возникать рентгеновское излучение вследствие большой интенсивности гравитационных полей вокруг него.

В 1997 году удалось доказать, что некоторые черные дыры вращаются, вовлекая в это движение и окружающее их пространство. "До сих пор мы умели узнавать лишь массу черной звезды, теперь можем определять ее вращательный импульс", - с гордостью говорит сотрудник Центра НАСА в Хантсвилле Шуанг Нан Цанг.

Черную дыру окружает некая граница, и вся материя, находящаяся внутри нее, непременно будет поглощена дырой. Размеры границы зависят, в частности, от скорости вращения черной дыры. Эту скорость можно посчитать, если знать, с какой скоростью движется материя у границы. Расшифровывая информацию, поступающую от спутников, улавливающих рентгеновское излучение, Шуанг Нан Цанг и его коллеги пришли к выводу, что в Млечном Пути находятся 12 черных дыр с массой от трех до тридцати солнечных. Некоторые из этих дыр вращаются очень медленно, другие - вовсе неподвижны. Но две вращаются вокруг своих осей с невероятной скоростью. "Исследуя вращение черной дыры, - пишет астрофизик из Балтимора Марио Ливио, - можно узнать, сколько материи она успела поглотить за свою жизнь и как вращательный импульс связан с выбросом материи в виде осевой струи". Цанг убежден, что эти две быстро вращающиеся дыры, обнаруженные в нашей Галактике, посылают в свои окрестности струи высокоэнергичных частиц. Струи вращаются примерно с той же скоростью, что и сама черная дыра. Точные измерения позволяют определить скорость вращения вихря материи прежде, чем она исчезнет в черной дыре.

Кроме того, ученые обнаружили колебания интенсивности рентгеновского излучения у обоих объектов. Эти наблюдения навели в конце 1997 года на след еще более удивительного феномена: газовые и пылевые частицы около двух черных дыр, о которых идет речь, подвержены периодическому движению, называемому прецессией. Это значит, что ось вихревого движения частиц не стоит на месте, а в свою очередь вращается вокруг другой оси.

В научном мире интерес к черным дырам то затихает (когда уже кажется, что все их тайны разгаданы), то снова разгорается (когда в очередной раз оказывается, что это далеко не так). Впрочем, в последнее время от отсутствия внимания черные дыры явно не страдали. Мосты Эйнштейна-Розена (они же - "червячные норы"), "машины времени", возможное образование мини-дыр в атмосферных ливнях частиц, порождаемых высокоэнергичными космическими лучами (если справедливы предположения о том, что число пространственных макроизмерений нашего мира больше трех), - вот лишь короткий список "горячих" научных тем последнего времени, в которых черные дыры играют главную роль.

Черные дыры – что это?

Насколько нам известно, первым ученым, придумавшим объект, напоминающий черную дыру, был английский священник и теолог, один из основателей научной сейсмологии Джон Митчелл. В 1783 году он изложил свои соображения в докладе Лондонскому Королевскому обществу.

Но, как часто бывало в истории науки, сообщение осталось практически незамеченным, так что долгое время приоритет отдавался знаменитому французскому ученому Лапласу, через одиннадцать лет после Митчелла пришедшему к похожим выводам и опубликовавшему их в своей книге "Изложение системы мира". Доклад Митчелла был найден в "Философских трудах Лондонского Королевского общества" только в 1984 году.

Идея Митчелла и Лапласа была очень простой: они предположили, что в природе могут существовать тела, для которых вторая космическая скорость превышает скорость света. Поэтому такие тела будут невидимыми для наблюдателя, хотя и могут проявлять себя гравитационным воздействием на другие объекты. По словам Лапласа, "звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз большим диаметра Солнца не дает световому лучу достичь нас благодаря своему тяготению, а потому не исключено, что самые яркие тела во Вселенной по этой причине невидимы". А Митчелл предложил искать такие звезды по анализу движения второй звезды в двойной системе - метод, широко использующийся сейчас для обнаружения черных дыр.

Математически соображения двух ученых сводятся к нахождению радиуса R звезды массы M, для которой вторая космическая скорость равна скорости света с. Путем несложных преобразований получаем:

R_g = 2GM/c²,

где R_g  - так называемый гравитационный радиус тела, G - постоянная тяготения.

Увы, все эти рассуждения были неправильными. При скоростях, близких к скорости света, формула для кинетической энергии сильно отличается от классического случая. Формула для потенциальной энергии в мощных гравитационных полях тоже меняет вид. Да и отношение к свету как к потоку маленьких пушечных ядер неправомерно: в частности, скорость света, как известно, константа и, следовательно, не может стремиться к нулю (пусть и на бесконечности).

Решение для черной дыры, свободное от этих недостатков, было получено в 1916 году немецким астрономом Карлом Шварцшильдом на основе анализа уравнений общей теории относительности, незадолго до этого выведенных Альбертом Эйнштейном. Довольно неожиданно, но в этом точном решении появляется величина размерности расстояния, выражение для которой совпадает с уже выписанной "неправильной" формулой.

Казалось бы, это не очень распространенный, но все же порой встречающийся в науке случай, когда ошибки "упрощенного" решения компенсируют друг друга. На самом деле это, конечно, не так. В решении Шварцшильда на радиусе R_g  происходит нечто большее, чем просто выравнивание скорости света и второй космической скорости. И даже не "большее", а принципиально иное.

Есть такой вопрос на сообразительность: можно ли добраться до Луны на ракете, летящей со скоростью "Запорожца"? Несмотря на то что вопрос несложный, очень часто на него отвечают "нет". Нужна, дескать, вторая космическая скорость (или чуть меньшая при полете по эллипсу).

На самом деле ответ, конечно, неверный, долететь до Луны можно. Формулы для космических скоростей справедливы для тела, летящего свободно (после первоначального толчка). Если же двигатель ракеты будет работать непрерывно, то достичь нашего спутника можно даже со скоростью черепахи (рано или поздно). Иное дело, что такой полет потребует гигантского расхода горючего. Другим примером является подъем по лестнице - так можно подняться на высоту, до которой никогда не удалось бы допрыгнуть.

Все меняется, если перейти к рассмотрению черной дыры. Если мы находимся внутри так называемой сферы Шварцшильда (сферы радиуса R_g , описанной вокруг центра черной дыры), то выбраться "наружу" нельзя никаким образом.

Именно поэтому границу сферы Шварцшильда часто называют горизонтом событий. А также - односторонней проводящей мембраной.

 Как образуются Черные 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. Новое открытие - первое реальное доказательство связи между одним событием и другим. (Чёрные дыры нельзя непосредственно увидеть, но о их присутствии иногда можно судить по действию их гравитационного поля на ближайшие объекты. Система "звезда-и-чёрная дыра", обозначенная как GRO J1655-40, находится приблизительно на удалении в 10,000 световых лет в пределах нашей галактики Млечного пути. Обнаруженная в 1994 году, она привлекла внимание астрономов сильными вспышками рентгеновских лучей и обстрелом радиоволн, поскольку чёрная дыра выталкивала газы на звезду-спутник, находящуюся на расстоянии 7.4 миллионов миль. Исследователи из Испании и Америки начали внимательно присматриваться к звезде-спутнику, полагая, что она могла сохранить какой-либо след, свидетельствующий о процессе формирования чёрной дыры. Считается, что черные дыры, размером со звезду, являются телами больших звёзд, которые просто уменьшились до таких размеров после того, как израсходовали всё своё водородное топливо. Но по непонятным пока причинам, затухающая звезда трансформируется в сверхновую прежде, чем взорваться. Наблюдения системы GRO J1655-40 в августе и сентябре 1994 года позволили зафиксировать, что потоки выбрасываемого газа имели скорость, составляющую до 92 % от скорости света, что частично доказывало наличие там чёрной дыры. Если учёные не ошибаются, то часть взорвавшихся звезд, которые, вероятно, в 25-40 раз больше, чем наше Солнце, превратилась в выжившие спутники. Это именно те данные, которые астрономы обнаружили. Атмосфера звезды-спутника содержала более высокую, чем обычно, концентрацию кислорода, магния, кремния и серы - тяжелые элементы, которые могут быть созданы в большом количестве только при температуре в мультимиллиард градусов, которая достигается во время взрыва суперновой звезды. Это и явилось первым доказательством, действительно подтверждающим справедливость теории о том, что некоторые чёрные дыры вначале возникли как сверхновые звёзды, поскольку увиденное не могло быть рождено звездой, которую наблюдали астрономы.

Как обнаруживали Чёрные дыры

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 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 семидесятых годов. Она находится в созвездии Лебедя  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 солнечных. Еще одна подозреваемая пара - рентгеновский источник (LMCХ3) 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". Два итальянских астронома, Луиджи Стелла и Марио Виертри, на основе данных, полученных со спутника RXTE, открыли искривление пространства около нейтронной звезды, правда, очень слабое. Уже создается спутник, названный "Gravity Probe В", специально приспособленный для исследования эффектов теории относительности.

 Измерения параметров движений в центральной области нашей Галактики вели с 1992 по 1998 г. сотрудники Института внеземной физики им. Макса Планка в Гаршинге (Германия) под руководством А. Экарта (A.Eckart).Они определяли скорость перемещения 200 звезд с помощью специального спектрометра. Оказалось, что с наибольшей скоростью движутся те звезды, которые расположены поблизости от объекта Стрелец А, который и ранее предположительно относили к числу «черных дыр». У звезд, удаленных от него всего на пять световых суток, скорость обращения вокруг центра превышает 1000 км/с. Вычисления показали, что подобное движение звезд может наблюдаться лишь в том случае, если в ядре Галактики находится объект, масса которого составляет 2.6 млн массы Солнца, а плотность такая, как если бы 2 трлн Солнц «втиснуть» в один кубический световой год! Такими свойствами может обладать только «черная дыра», поглощающая за какие-нибудь несколько миллионов лет всю материю, попадающую в сферу ее влияния. О сходных результатах сообщила на конференции Американского астрономического общества (Вашингтон, 1998) А.М. Гез (A.M. Ghez; Университет штата Калифорния, Беркли). Вместе с коллегами она вела наблюдения в том же инфракрасном диапазоне частот (2 мкм), что и Экарт, но на более мощном 10-метровом Телескопе им. Кека на горе Мауна-Кеа (Гавайские о-ва). Они установили, что звезды, расположенные к центру Галактики вдвое ближе, чем наблюдавшиеся немецкими астрономами, движутся со скоростью 3000 км/с! По мнению Гез, такую скорость звездам может придать лишь «черная дыра» с массой 2.7 млн Солнц. При таких масштабах величин вывода обеих групп можно считать почти идентичными. Итак, в центре нашей Галактики, по всей видимости, так же находится огромная «черная дыра».

Однажды 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 скорость 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. Астрономы отбросили предположение о том, что такое количество материи может быть очень плотным скоплением звезд, которое мы не видим из-за космической пыли. Звезды, входящие в скопление, должны были бы находиться на очень близком расстоянии одна к другой. При такой "толкучке" они непременно начнут сталкиваться, и звездное скопление довольно быстро "рассыпется". Загадку хоровода облаков ученые объяснили тем, что они наблюдают черную дыру, вернее, то, что происходит в ее окрестностях. Ведь саму черную дыру увидеть нельзя.

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.

На снимке, сделанном с помощью нового космического спектрографа Хаббла (Hubble's new Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS)), запечатлен "автограф" сверхмасивной черной дыры, расположенной в центре галактики М84. Несмотря на то, что гравитация не позволяет покинуть окрестность черной дыры даже свету (см. центр снимка), ее присутствие можно обнаружить по падающему по спирали с огромным ускорением на поверхность черной дыры межзвездному веществу, скорость которого, определенная с помощью эффекта Допплера, составляет примерно 380 км/сек на расстоянии 26 световых лет от центра М84, галактики, находящейся в кластере галактик в созвездии Девы в 50 000 000 световых лет от нас. Данные STIS'а показывают, что излучение газа, движущегося в нашем направлении, смещенное в фиолетовую часть спектра (левая часть снимка), справа от центра снимка смещается в красную область (удаляющийся газ), указывая на наличие быстро вращающегося вокруг центра галактики диска вещества. В результате мы видим характерный S-образный росчерк черной дыры, масса которой составляет по меньшей мере 300 000 000 масс Солнца. Вполне вероятно, что в центре всех галактик расположены черные дыры.

Уравнение Шварцшильц

В 1906 году немецкий физик Шварцшильц получил решение уравнений общей теории относительности для поля тяготения сферического тела. Из этого решения следует замечательный вывод: сила притяжения, действующая между массой М и пробной частицей m на расстоянии r
от центра тяготеющей массы, возрастает до бесконечности при r
= 2
GM
/
cc
, где G
– гравитационная постоянная,c
– скорость света. В рамках же ньютоновской теории сила тяготения стремится к бесконечности приr
-> 0 , в силу равенства F
=
GMm
/
rr
Иными словами, теория относительности предпологает возможность существования объектов с бесконечной гравитационной силой на конечном расстоянии от их центра. Такое расстояние, равное 2GM
/
cc , называют гравитационным радиусом тела Rg
, а сферу с радиусом, равным гравитационноиу – сферой Шварцшильца. Чёрной дырой принято называть тело, сжатое до размеров сферы Шварцшильца. Тяготение такого объекта не даёт ни материи, ни излучению (в том числе и световому) выйти за границы Шварцшильцовской сферы; собственно поэтому Чёрные дыры и имеют такое название.Если тело сжатьтак, чтобы его радиус сравнялся с гравитационным, то в результате бесконечного нарастания силы тяготения начнётся самопроизвольное непрерывное сжатие вещества в точку, т.н. сингулярность с безграничной плотностью. Такой процесс сжатия тела за сферу Шварцшильца получил название релятивистского гравитационного коллапса и был строго рассчитан в 1939 году амереканским учёным  Р. Оппенгеймером и  Г. Волковым. В сильном поле тяготения ярко проявляются такие следствия теории относительности, как, например, относительность промежутков времяни. Обозначим через t
0 интервал времяни между двумя событиями на поверхности гравитируещей массы, а через t
– промежуток времяни между этими же событиями, зафиксированный наблюдателем вне поля тяготения этой массы, движущимся относительно данного тела со второй космической скоростью V
=
sqrt
(2
GM
/
r
)  По теории относительности эти два промежутка связаны между собой следующей формулой: t
=
t
0/
sqrt
(1-
VV
/
cc
)=
t
0/
sqrt
(1-2
GM
/
rcc
)=
t
0/
sqrt
(1-
Rg
/
r
) Видно что с приближением радиуса тела к гравитационному промежуток времяни t
увеличится, т.е. для далёкого наблюдения все процессы вблизи чёрной дыры будут казаться замедленными. В частности, само образование чёрной дыры, с точки зрения удалённого наблюдателя, длится бесконечно долго. Пусть дыра образуется в результате сжатия какого-либо тела, например, звезды с начальным радиусом r
0. В процессе сжатия он будет уменьшаться по закону r
(
t
)=
Rg
+(
r
0-
Rg
)(
e
)в степени -
ct
/
eRg
  из которого следует, что звезда сожмётся до размеров сферы Шварцшильца лишь при t стремящемся к бесконечности.

Список использованной литературы

1.     Новиков И. Д. Черные дыры и Вселенная. М., Наука, 1985

2.     Новиков И. Д., Фролов В. П. Физика черных дыр. М., Наука, 1986

3.     Хоккинг С. От Большого взрыва до черных дыр. М., Мир, 1990

4.     Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. М., 1987