2012 НОУ Акифьев Загадки черных дыр
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЯЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 1 п.г.т. ЗАБАЙКАЛЬСК ЗАБАЙКАЛЬСКИЙ КРАЙ Научно-исследовательская работа по астрономии на тему: Выполнил: Акифьев Александр Юрьевич – ученик 9 «Г» класса Руководитель: Самохина Тамара Алексеевна – учитель физики высшей квалификационной категории п.г.т. Забайкальск 2012 СОДЕРЖАНИЕ Введение……………………………………………………….….….………….3 Глава I. 1.1. История идеи о черных дырах…………………………..……5 1.2. Формирование черных дыр…………………………………….8 1.3. Возникновение черных дыр………………………………......10 1.4. Виды черных дыр……………………………………………...11 Глава II. 2.1. Падение в чёрную дыру……………………………………...14 2.2. Термодинамика черных дыр……………………………….....15 2.3. Черные дыры и время………………………………………......17 2.4. Поиски черных дыр………………………………………….…20 Заключение…………………………………………………….….......22 Литература.............................................................................................25 Приложение...........................................................................................27 -2- ВВЕДЕНИЕ Одними из самых загадочных объектов во Вселенной являются черные дыры. Я не случайно выбрал эту тему. Чёрная дыра – область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Черные дыры являются одновременно очень простыми и очень сложными в понимании. Черная дыра является порождением тяготения. Их трудно изучать, так как они в данный момент времени недосягаемы для нас, но по расчетам математиков о них можно судить. Даже изучение этих объектов на расстоянии давалось с трудом (пока на орбиту не взошли рентгеновские обсерватории). Ведь свет не может покинуть горизонт событий черной дыры, поэтому об их существовании можно было судить только по мощному воздействию на окружающую материю. Актуальность данной работы с научной точки зрения состоит в том, чтобы: отсутствие знаний об объекте черная дыра, и как о космическом, и как о физическом (математическом); изучить такие загадочные объекты Вселенной как черные дыры; рассмотреть черные дыры – как последнюю стадию эволюции звезд; расширить спектр наших знаний о загадках Вселенной; продемонстрируем тесную связь физики, астрономии, космонавтики и других наук. Социальная значимость проекта продиктована необходимостью иметь знание о черных дырах, как объектах, порожденных тяготением, конечном результате деятельности звёзд, масса которых выше солнечной в пять или больше раз. -3- С точки зрения личностной значимости актуальность данной работы заключается в получении дополнительных знаний о черных дырах, загадочных объектах Вселенной. Объект исследования в работе – черные дыры. Предмет исследования: рассмотреть очевидный путь образования черной дыры – коллапс ядра массивной звезды. Область данного исследования – астрономия. В соответствии с объектом и предметом исследования сформулирована цель проекта. Основная цель проекта: систематизация научной информации о черной дыре для получения представления об объекте, его свойствах и значении для исследований будущего. Раскрытие тайны существования черной дыры Цель работы: Изучить формирование черных дыр. Рассмотреть вопрос, о том, что является последней стадией эволюции звезд. Рассмотреть черные дыры, как источники энергии. Черные дыры, как объекты образующие вокруг себя галактики и более крупные скопления материи. Задачи работы: познакомиться с историей идеи черных дыр; возникновением, формированием, видами черных дыр; расширить спектр наших знаний о загадках Вселенной; продемонстрируем тесную связь физики, астрономии, космонавтики и других наук. В своей работе мы использовали теоретические, эмпирические и математические методы исследования, а именно: анализ и обработка материала по результатам астрономических наблюдений, в вопросах изучения черных дыр; математические методы; обобщение полученных данных. -4- ГЛАВА I. Черные дыры – не только самый страшный, но и самый спорный объект во Вселенной… 1.1. История идеи о черных дырах Английский геофизик и астроном Джон Митчелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, Митчелл рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более 3 км, то даже частицы света (которые он, вслед за Ньютоном, считал корпускулами) не могли бы улететь далеко от такой звезды. Поэтому такая звезда казалась бы издалека абсолютно темной. Эту идею Митчелл представил на заседании Лондонского Королевского общества 27 ноября 1783 г. Так родилась концепция «ньютоновской» черной дыры. Такую же идею высказал в своей книге Система мира (1796г.) французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Простой расчет позволил ему написать: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз большим диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную. А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идея Митчелла и Лапласа о черных дырах была забыта. На протяжении XIX века идея тел, невидимых вследствие своей массивности, не вызывала большого интереса у учёных. Это было связано с тем, что в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. Однако в конце XIX – начале XX века было установлено, что сформулированные Дж. Максвеллом законы электродинамики, с одной стороны, выполняются во всех инерциальных -5- системах отсчёта, а с другой стороны, не обладают инвариантностью относительно преобразований Галилея. Это означало, что сложившиеся в физике представления о характере перехода от одной инерциальной системы отсчёта к другой нуждаются в значительной корректировке. В 1905 году А.Эйнштейн создал специальную теорию относительности (СТО), в которой роль законов механики была заменена на новую, релятивистскую механику. В рамках последней скорость света оказалась предельной скоростью, которую может развить физическое тело, что радикально изменило значение чёрных дыр в теоретической физике. Во второй раз ученые «столкнулись» с черными дырами в 1916 году, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений СТО В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования черные дыры еще не рассматривались. Правда, в 1930-е годы, после создания квантовой механики и открытия нейтрона, физики исследовали возможность формирования компактных объектов (белых карликов и нейтронных звезд) как продуктов эволюции нормальных звезд. Оценки показали, что после истощения в недрах звезды ядерного топлива, ее ядро может сжаться превратиться в маленький и очень плотный белый карлик, или же, в еще более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду. В 1934 г. работавшие в США европейские астрономы Фриц Цвики и Вальтер Байде выдвинули гипотезу – вспышки сверхновых представляют собой совершенно особый тип звездных взрывов, вызванных катастрофическим сжатием ядра звезды. Так впервые родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезды. Байде и Цвики высказали предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчеты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. Но если масса звезды превышает три -6- массы Солнца, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса. В 1939 году американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер обосновали вывод, что ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь черной дырой. Астрономы понимали, что обнаружить его в космосе будет невероятно трудно и поэтому долго не приступали к поиску. Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне нее. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на черную дыру, свободно проникают внутрь через горизонт. Можно сказать, что черная дыра все поглощает и ничего не выпускает. По этой причине и родился термин «черная дыра», предложенный в 1967 году американским физиком Джоном Арчибальдом Уиллером. Рис. 1. Черная дыра. Рис. 2. Схема черной дыры. -7- 1.2. Формирование черных дыр Самый очевидный путь образования черной дыры – коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Наиболее быстро сжимается ядро звезды, при этом оно сильно разогревается, его гравитационная энергия переходит в тепло и нагревает окружающую его оболочку. В итоге звезда теряет свои наружные слои в виде медленно расширяющейся планетарной туманности или катастрофически сброшенной оболочки сверхновой. А судьба сжимающегося ядра зависит от его массы. Расчеты показывают, что если масса ядра звезды не превосходит трех масс Солнца, то она «выигрывает битву с гравитацией»: его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и звезда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса ядра звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить его катастрофический коллапс, и оно быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой. Как следует из формулы для rg, черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км. Астрономические наблюдения хорошо согласуются с этими расчетами: все компоненты двойных звездных систем, проявляющие свойства черных дыр (в 2010году их известно около 25), имеют массы от 4 до 16 масс Солнца. Теория звездной эволюции указывает, что за 12 млрд. лет существования нашей Галактики, содержащей порядка 100 млрд. звезд, в результате коллапса наиболее массивных из них должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр. К тому же, черные дыры очень большой -8- массы (от миллионов до миллиардов масс Солнца) могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе, и нашей. Об этом свидетельствуют астрономические наблюдения, хотя пути формирования этих гигантских черных дыр не вполне ясны. Если в нашу эпоху высокая плотность вещества, необходимая для рождения черной дыры, может возникнуть лишь в сжимающихся ядрах массивных звезд, то в далеком прошлом, сразу после Большого взрыва, с которого около 14 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, высокая плотность материи была повсюду. Поэтому небольшие флуктуации плотности в ту эпоху могли приводить к рождению черных дыр любой массы, в том числе и малой. Но самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. «Первичные черные дыры» с массой более 1012 кг могли сохраниться до наших дней. Самые мелкие из них, массой 10 12 кг (как у небольшого астероида), должны иметь размер порядка 10–15 м (как у протона или нейтрона). Наконец, существует гипотетическая возможность рождения микроскопических черных дыр при взаимных соударениях быстрых элементарных частиц. Таков один из прогнозов теории струн – одной из конкурирующих сейчас физических теорий строения материи. Теория струн предсказывает, что 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 мощном столкновении двух частиц (например, протонов) они могут сжаться достаточно сильно, чтобы родилась микроскопическая черная дыра. После этого она почти мгновенно разрушится («испарится»), но наблюдение за этим процессом представляет для физики большой интерес, поскольку, испаряясь, дыра будет испускать все существующие в природе виды частиц. Если гипотеза теории струн верна, то рождение таких черных дыр может происходить при столкновениях энергичных частиц космических лучей с атомами земной атмосферы, а также в наиболее мощных ускорителях -9- 1.3. Возникновение черных дыр Существует мнение, что в ядрах галактик могут находиться массивные черные дыры. Именно они и являются источниками энергии, обеспечивающей активность этих космических объектов. Как же возникают черные дыры? Их образование может быть связано со сжатием массивных звезд в конце их «жизни». Также черные дыры могут возникнуть вследствие огромной концентрации вещества в центре достаточно массивных звездных систем. Возьмем некоторую массу вещества, которая оказалась в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы. Под действием собственного тяготения это вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает гравитационная катастрофа. Со сжатием данной массы растет ее концентрация. Наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности, становится, столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость, превосходящую скорость света. Но таких скоростей распространения физических взаимодействий в природе не существует. Поэтому черная дыра, как гигантская воронка, втягивает в себя все, ничего не выпуская наружу. Она не отпускает от себя даже собственный свет! При этом черная дыра, втягивая в себя окружающее вещество, увеличивает свои размеры. Рис. 3. Черная дыра – как гигантская воронка. - 10 - Как уже отмечалось, в нашу эпоху черной дырой может стать лишь масса, более чем втрое превышающая солнечную. Однако сразу после Большого взрыва, с которого около 15 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, могли рождаться черные дыры любой массы. Самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. Но «первичные черные дыры» с большой массой могли сохраниться до наших дней. С помощью компьютеров учёные объединяют данные о плазме, падающей на чёрную дыру, и свои познания того, как гравитация и магнитные поля могут воздействовать на плазму. Учёные также исследуют способы того, как магнитное поле может использовать энергию вращения чёрной дыры и образовывать мощные струи. Феномен струй был предсказан Роджером Блэндфордом и Романом Знажеком в 1970-х годах. Новые компьютерные исследования подтверждают это предсказание. Последние работы были проведены в конце 2001-го года с помощью суперкомпьютера японского института National Institute for Fusion Science. 1.4. Виды черных дыр Чёрные дыры звёздных масс образуются как конечный этап жизни некоторых звезд. 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 возможно превращение ее в черную дыру. 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 - 11 - изучению. 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. 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. 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, которая еще не создана. 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 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 - 12 - реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры. Однако по теории струн энергии требуется гораздо меньше и синтез можно осуществить. Впоследствии (после возникновения) 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 рентгеновских 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. 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. Рис. 4. Столкновение чёрных дыр с другими звёздами. - 13 - ГЛАВА II. 2.1. Падение в чёрную дыру Представим себе, как должно выглядеть падение в Шварцшильдовскую чёрную дыру. Тело, свободно падающее под действием сил тяжести, находится в состоянии невесомости. Падающее тело будет испытывать действие приливных сил, растягивающих тело в радиальном направлении и сжимающих – в тангенциальном. Величина этих сил растет и стремится к бесконечности при r → 0. В некоторый момент собственного времени тело пересечет горизонт событий. С точки зрения наблюдателя, падающего вместе с телом, этот момент ничем не выделен, однако возврата теперь нет. Тело оказывается в горловине (ее радиус в точке, где находится тело и есть r), сжимающейся столь быстро, что улететь из нее до момента окончательного схлопывания (это и есть сингулярность) уже нельзя, даже двигаясь со скоростью света. Рассмотрим теперь процесс падения тела в чёрную дыру с точки зрения удалённого наблюдателя. 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. Однако когда тело начнёт приближаться к горизонту событий, фотоны, идущие от тела, будут испытывать всё большее и большее гравитационное красное смещение. Кроме того, из-за гравитационного поля, как свет, так и все физические процессы с точки зрения удалённого наблюдателя будут идти всё медленнее и медленнее. Будет казаться, что тело – в чрезвычайно сплющенном виде – будет замедляться, приближаясь к горизонту событий и, в конце концов, практически остановится. Частота сигнала будет резко падать. Длина волны испускаемого телом света будет стремительно расти, так что свет быстро превратится в радиоволны и далее в низкочастотные электромагнитные - 14 - колебания, зафиксировать которые уже будет невозможно. Пересечения телом горизонта событий наблюдатель не увидит никогда, и в этом смысле падение в чёрную дыру будет длиться бесконечно долго. Есть, однако, момент, начиная с которого повлиять на падающее тело удаленный наблюдатель уже не сможет. Луч света, посланный вслед этому телу, его либо вообще никогда не догонит, либо догонит уже за горизонтом. Если падающее тело достаточно массивно, удалённый наблюдатель увидит вздутие горизонта событий чёрной дыры в месте, находящимся под падающим телом. Как только падающее тело начнёт сливаться с горизонтом событий, вздутие начнёт уменьшаться и от места падения тела по поверхности горизонта событий пойдут круги, а общий радиус горизонта событий несколько возрастёт. Колебания поверхности горизонта событий со временем затухнут за счёт испускаемого ими гравитационного излучения. Аналогично будет выглядеть для удалённого наблюдателя и процесс гравитационного коллапса. Вначале вещество ринется к центру, но вблизи горизонта событий оно станет резко замедляться, его излучение уйдёт в радиодиапазон, и, в результате, удалённый наблюдатель увидит, что звезда погасла. 2.2. Термодинамика черных дыр Термодинамика чёрных дыр в физике – феноменологический подход к изучению чёрных дыр, основанный на её описании в терминах макроскопического подхода, аналогичного термодинамике. Успешность такого подхода связана с предельной простотой равновесных чёрных дыр, которые обладают малым числом степеней свободы. Первоначальные идеи относительно применения термодинамики к описанию чёрных дыр были высказаны Беке Штейном в 1973 году. Он перечислил следующий набор свойств чёрных дыр: Сила гравитации одинакова по всей поверхности горизонта событий. Площадь горизонта событий черной дыры не может уменьшаться со временем при любом классическом процессе. В любых неравновесных процессах с участием - 15 - чёрных дыр (например, при их столкновении) площадь поверхности увеличивается. Эти свойства очень напоминают (и более того, математически эквивалентны) начала термодинамики (существование температуры, связь внутренней энергии с энтропией, и закон возрастания энтропии). То есть весь аппарат термодинамики можно применить к чёрной дыре, если положить, что сила гравитации играет роль температуры, а площадь поверхности горизонта событий пропорциональна энтропии. Одним из предсказаний данной теории стал вывод о том, что чёрные дыры должны излучать. Однако этот вывод находится в кажущемся противоречии со свойством чёрной дыры не выпускать ничего из-под своего горизонта событий. Разрешение этого парадокса было дано Стивеном Хокингом. Он показал, что излучение чёрной дыры – названное впоследствии излучением Хокинга – возникает за счёт квантовых эффектов, причём излучённые частицы не выходят из-под горизонта событий, а рождаются вблизи него. Вычисленная Хокингом интенсивность излучения совпала с той, которая ожидалась на основании термодинамического подхода. Это явилось подтверждением того, что термодинамика чёрных дыр действительно имеет реальный физический смысл. Рис 5. Термодинамика черных дыр. - 16 - 2.3 Черные дыры и время Черные дыры представляют собой подлинный сгусток гравитации. Они возникают при катастрофическом сжатии небесных тел, например звезд, в конце их эволюции. При этом гравитационное поле возрастает настолько, что не выпускает даже свет. Ту область, из которой не может выйти свет, и называют черной дырой. С точки зрения далекого наблюдателя, чем ближе к черной дыре, тем медленнее течет время. На границе черной дыры его бег и вовсе замирает. Можно сравнить ситуацию с течением воды у берега реки, где ток воды замирает. Но совсем иная картина представляется наблюдателю, который в космическом корабле отправится в черную дыру. Огромное поле тяготения на границе черной дыры разгоняет падающий корабль до скорости, равной скорости света. И, тем не менее, далекому наблюдателю кажется, что падение корабля затормаживается и полностью замирает на границе черной дыры. Ведь здесь с его точки зрения замирает само время. С приближением к этой скорости падения время на корабле также замедляет свой бег, как и на любом быстро летящем теле. И вот это замедление побеждает замирание падения корабля. Растягивающаяся до бесконечности картина приближения корабля к границе черной дыры из-завсе большего и большего растягивания секунд на падающем корабле измеряется конечным числом этих все удлиняющихся (с точки зрения внешнего наблюдателя) секунд. По часам падающего наблюдателя, или по его пульсу, до пересечения границы черной дыры протекло вполне конечное число секунд. Бесконечно долгое падение корабля по часам далекого наблюдателя уместилось в очень короткое время падающего наблюдателя! Бесконечное для одного стало конечным для другого! Вот уж поистине фантастическое изменение представлений о течении времени. Наблюдатель, упавший в черную дыру, никогда не сможет оттуда выбраться, как бы ни были мощны двигатели его корабля. Он не сможет послать оттуда и никаких сигналов, никаких сообщений. Ведь даже свет – - 17 - самый быстрый вестник в природе – оттуда не выходит. Для внешнего наблюдателя само падение корабля растягивается по его часам до бесконечности. Значит, то, что будет с падающим наблюдателем и его кораблем внутри черной дыры, протекает уже вне времени внешнего наблюдателя, после его бесконечности по времени. В этом смысле черные дыры представляют собой дыры во времени Вселенной. Конечно, сразу оговоримся, что это вовсе не означает, что внутри черной дыры время не течет. Там время течет, но это «другое» время, текущее иначе, чем время внешнего наблюдателя. Что будет с наблюдателем и его кораблем, упавшим в черную дыру? Назад, как мы знаем, они выбраться не смогут. Сила тяготения будет неумолимо тянуть их вглубь черной дыры. Какова их судьба? Еще не так давно теоретики предполагали, что, проскочив горловину черной дыры, наблюдатель может появиться из другого отверстия этой горловины в нашем пространстве вдали от черной дыры, в которую он упал. Или он сможет даже «выпрыгнуть» в пространство «другой Вселенной». Если бы это было возможно, то наряду с черными дырами во Вселенной должны были бы существовать и «белые дыры». Это те самые другие отверстия горловины, из которых может «выпрыгнуть» наблюдатель. В белую дыру нельзя упасть, из нее можно только вылететь. Поистине черные и белые дыры напоминают улицы с односторонним движением транспорта. Но это улицы во времени! Однако оказалось, что белые дыры и горловины, ведущие от черных дыр к белым, – крайне неустойчивые объекты и поэтому в природе существовать не могут. А жаль! Если бы они существовали, то наблюдатель, нырнув в черную дыру и выпрыгнув затем из белой, попал бы в далекое прошлое нашей Вселенной! Это было бы конкретным воплощением «машины времени» Г. Уэллса, движущейся в прошлое. Но еще раз подчеркнем, что это оказалось невозможным. Что же произойдет с наблюдателем в действительности, если он отважится отправиться в черную дыру на космическом корабле? Силы - 18 - тяготения будут увлекать его в область, где эти силы все сильнее и сильнее. Если в начале падения в корабле (предположим, его двигатель включен) наблюдатель находился в невесомости и ничего неприятного не испытывал, то в ходе падения ситуация изменится. Чтобы понять, что произойдет, вспомним про приливные силы тяготения. Их действие связано с тем, что точки тела, находящиеся ближе к центру тяготения, притягиваются сильнее, чем расположенные дальше. В результате притягиваемое тело растягивается. Подобное растяжение испытывает водная оболочка Земли – ее океаны, которые притягиваются Луной. Так возникают приливы. В начале падения наблюдателя в черную дыру приливное растяжение может быть ничтожным. Но оно неизбежно нарастает в ходе падения. Как показывает теория, любое падающее в черную дыру тело попадает в область, где приливные силы становятся бесконечными. Это так называемая сингулярность внутри черной дыры. Здесь любое тело или частица будут разорваны приливными силами и перестанут существовать. Пройти сквозь сингулярность и не разрушиться не может ни что. Рис. 6. Поле тяготения черных дыр. Оказалось, что на темп течения времени влияет поле тяготения. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вдали от тяготеющих тел, где поле тяготения слабо. Этот вывод также был проверен на прямых экспериментах на Земле и с помощью астрофизических наблюдений на Солнце и звездах. - 19 - 2.5. Поиски черных дыр Расчеты в рамках специальной теории относительности указывают лишь на возможность существования черных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире, открытие черной дыры стало бы важным шагом в развитии физики. Поиск изолированных черных дыр в космосе невероятно труден: требуется заметить маленький темный объект на фоне космической черноты. Но есть надежда обнаружить черную дыру по ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по ее характерному влиянию на них. Учитывая важнейшие свойства черных дыр (массивность, компактность и невидимость) астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить черную дыру по ее гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например, с близкими звездами. Попытки обнаружить невидимые массивные спутники в двойных звездах не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры активно проявляют себя в тесных двойных системах, где они отбирают вещество у соседней звезды и поглощают его, нагревая при этом до температуры в миллионы градусов и делая его на короткое время источником рентгеновского излучения. Поскольку в двойной системе черная дыра в паре с нормальной звездой обращается вокруг общего центра массы, используя эффект Доплера, удается измерить скорость звезды и определить массу ее невидимого компаньона. Астрономы выявили уже несколько десятков двойных систем, где масса невидимого компаньона превосходит 3 массы Солнца и заметны характерные проявления активности вещества, движущегося вокруг компактного объекта, например, очень быстрые колебания яркости потоков горячего газа, стремительно вращающегося вокруг невидимого тела. Особенно перспективной считают рентгеновскую двойную звезду V404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее чем в 6 масс Солнца. Другие кандидаты в черные дыры находятся в двойных - 20 - системах Лебедь X-1, LMC X-3, V616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. Почти все они расположены в пределах нашей Галактики, а система LMC X-3 – в близкой к нам галактике Большое Магелланово Облако. Другим направлением поиска черных дыр служит изучение ядер галактик. В них скапливаются и уплотняются огромные массы вещества, сталкиваются и сливаются звезды, поэтому там могут формироваться сверхмассивные черные дыры, превосходящие по массе Солнце в миллионы раз. Они притягивают к себе окружающие звезды, создавая в центре галактики пик яркости. Они разрушают близко подлетающие к ним звезды, вещество которых образует вокруг черной дыры аккреционный диск и частично выбрасывается вдоль оси диска в виде быстрых струй и потоков частиц. Это не умозрительная теория, а процессы, реально наблюдаемые в ядрах некоторых галактик и указывающие на присутствие в них черных дыр с массами до нескольких миллиардов масс Солнца. В последнее время получены весьма убедительные доказательства того, что и в центре нашей Галактики есть черная дыра с массой около 2,5 млн. масс Солнца. Вполне вероятно, что самые мощные процессы энерговыделения во Вселенной происходят с участием черных дыр. Именно их считают источником активности в ядрах квазаров – молодых массивных галактик. Именно их рождение, как полагают астрофизики, знаменуется самыми мощными взрывами во Вселенной, проявляющимися как гамма-всплески. - 21 - ЗАКЛЮЧЕНИЕ Черные дыры слишком далеки от нас, поэтому мы не можем со 100% точностью говорить об их свойствах и наблюдаемых возле них эффектах. Теория относительности позволяет предсказать некоторые свойства этих удивительных объектов связанные с пространством-временем, а насколько верны эти предположения, нам еще предстоит узнать в будущем. Итак, что мы знаем о них: Они обладают тремя важными характеристиками: масса, заряд, вращательный импульс. Обнаруживаются тремя способами: а) по рентгеновскому излучению падающего вещества; б) по воздействию на окружающие объекты; в) по сильному гравитационному излучению. Не являются вечными. Могут являться источниками энергии (Суперрадиация). Играют главную роль в активных галактических ядрах. Осуществляют движение газа в галактических кластерах. Сверхмассивные черные дыры образуют вокруг себя галактики и более крупные скопления материи. Существование черных дыр, предсказанных в их современном понимании общей теорией относительности, с большой долей вероятности уже подтверждено наблюдениями. Если эта вероятность превратится в полную уверенность, то уже роль черных дыр как источников активности ядер галактик и квазаров позволит считать их важнейшим элементом мироздания. Не исключено, что еще не открытые первичные черные дыры, если они действительно существуют, имеют, куда большую значимость для космофизики, чем это, кажется сегодня. Как бы то ни было, черные дыры в очередной раз продемонстрировали, что считать, будто все их загадки раскрыты, преждевременно. И судя по всему, нас еще ожидает множество сюрпризов… - 22 - История предсказаний и поисков черных дыр полна драматизма и до сих пор окончательно не завершена. В этом отношении проблема черных дыр сходна с проблемой внеземных цивилизаций, с той лишь разницей, что в случае внеземных цивилизаций имеется полное единодушие среди физиков и астрономов в том, что эти цивилизации могут существовать, но пока еще не открыты. А в случае черных дыр сложилась парадоксальная ситуация: астрономы почти уверены, что черные дыры открыты, в то время как многие физики не верят в их существование. Слишком уж удивительны и экзотичны свойства этих поистине экстремальных объектов, чтобы можно было легко поверить в их существование. Существует еще множество различных теорий по поводу поведения черных дыр в тех или иных условиях. Пока еще гравитационное оборудование не принесло революцию в астрономический мир, над черными дырами трудятся сотни теоретиков и математиков. Например, была разработана теория, согласно которой в случае ассиметричного коллапса звезды, асимметричность уберется за счет излучения гравитационных волн. Также были разработаны теории о переходе в будущее и в прошлое, через «кротовую нору», только для этого все равно телу пришлось бы пройти через сингулярность, что означало бы разрушение материи. Теория гравитации Эйнштейна не учитывает результатов другой великой физической теории XX века – квантовой механики. Не исключено, что вблизи центра черной дыры законы общей теории относительности уступают место законам объединенной теории – квантовой гравитации или попросту «Теории Всего». И черная дыра – не символ отчаяния и невозвратимости, а объект, раскрытие тайн которого будет означать крупный, может быть, даже решающий шаг к полному постижению сути пространства и времени. 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 - 23 - 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. Вывод: Черная дыра, как космический объект, существует, но ее исследование не возможно. Одна из причин – внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной. - 24 - ЛИТЕРАТУРА 1. Быковский О.А. «Гравитационный парадокс и его решение», 2000 г. 2. Гинзбург В. Л. О теории относительности. М., Наука, 1979. 3. Журнал «Наука и жизнь», № 8 и № 3, 2000 г. 4. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Теория тяготения и эволюция звезд. М., Наука, 1971. 5. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Черные дыры во Вселенной. – Природа, 1972, N 4, с. 28. 6. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Старобинский А. А. Черные и белые дыры. – Природа, 1976, № 1, с. 34. 7. Зубков Б.В., Чумаков С.В. «Энциклопедия юного техника» «Педагогика»; М., 1988. 8. Карпенко С.Х. Концепции современного естествознания, М, Высшая школа 2003г. 9. Кауфман У. Космические рубежи теории относительности. М., Мир, 1981. 10. Киржниц Д. А., Фролов В. П. Наука, информация. – Природа, 1981, N 11. с. 2. 11. Лайтман А. П., Сюняев Р. А., Шакура Н. И., Шапиро С. Д., Эрдли Д. М. Современное состояние данных о Лебеде Х-1. – Успехи физических наук, 1978, т. 126, с. 515. 12. Новиков И. Д Н73 Черные дыры и Вселенная. – М.: Молодая гвардия, 1985. – 190 с. 13. Новиков И.Д., Полнарев А.Г. Первичные черные дыры. — Природа, 1980, Л. 7, с. 12. 14. Рандзини Дж. Справочник «Космос». – М., « Росмен» 2000. Торн К.С. «Путешествие среди чёрных дыр», 2002 г. 15. Фролов В. П. Черные дыры и квантовые процессы в них. — Уcпехи физических наук, 1976, т. 118, с. 473. 16. Энциклопедия Аванта + “Астрономия”, 2001 г. 17. Интернет источники: 1. www.mrcnn.narod.ru/blackhole.htm#5 - 25 - 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. www.dark-universe.ru www.evrika.tsi.lv/center.php www.sciam.ru www.elementy.ru http://nrc.edu.ru/est/pos/24.html http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/astronomiya/CHERN AYA_DIRA.html http://ru.wikipedia.org/ http://atheismru.narod.ru http://kuasar.narod.ru http://www.astronet.ru http://www.ibmh.msk.su http://nrc.edu.ru/est/pos/24.html http://www.krugosvet.ru http://ru.wikipedia.org http://www.astro.rin.ru http://www.elementy.ru http://www.space.vsi.ru http://www.astrogalaxy.ru http://www.membrana.ru http://www.chandra.harvard.edu http://www.astronomy.ru http://www.qd.ru http://www.compulenta.ru http://www.glazok.ru http://www.ssga.ru http://www.yos.ru http://www.hubblesite.org - 26 - ПРИЛОЖЕНИЯ 1.1. Черные дыры. Ученым удалось впервые зафиксировать излучение черной дыры. - 27 - Самая большая черная дыра (фото). Астрономы увидели звездное кольцо, «украшенное» черными дырами (фото). - 28 - 1.2. Формирование черных дыр. - 29 - 1.3. Возникновение черных дыр. - 30 - 1.4. Виды черных дыр. Два набора обширных спектральных черных дыр. Две сверхтяжелые черные дыры. - 31 - Две черные дыры, вращающиеся вокруг общего центра на расстоянии всего в треть светового года с периодом в 100 лет, и имеющие массы от 20 миллионов до миллиарда масс... - 32 - 2.1. Падение в черную дыру. 2.2. Термодинамика черных дыр. - 33 - Поедание звезды черной дырой. 2.3. Черные дыры и время. Чёрная дыра – область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже кванты самого света. - 34 - 2.4. Поиски черных дыр. Самые близкие к нам черные дыры. Черные дыры, а точнее диски вещества, окружающие их, являются источниками мощнейшего космического ветра. - 35 - Астрономы смогли пронаблюдать образование «пончика» вокруг черной дыры. Ученым удалось впервые зафиксировать излучение черной дыры. - 36 -