Глава 2.Влияние черных дыр на Землю

Исследовательская работа
Черные дыры
Работу выполнил:
Папко Сергей
3« А» класс
Научный руководитель:
Черникова Наталья Викторовна
учитель начальных классов
1
Оглавление
Введение…………………………………………………………………………...3
Основная часть
Глава 1. Черные дыры Вселенной……………………………………………….4
Глава 2. Влияние черных дыр на Землю………………………………………...9
Заключение……………………………………………………………………….12
Источники информации…………………………………………………………13
2
Введение
Актуальность
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.
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 исследования является понимание того, что такое чёрная
дыра и представляет ли она опасность для человечества.
Задачи:
1.Изучить природу чёрных дыр, возможных механизмов их образования и
эволюции.
2. Выяснить представляют ли черные дыры опасность для человека.
Объект исследования: черные дыры
Предмет исследования: природа черных дыр их влияние на человечество
Гипотеза: черные дыры оказывают негативное влияние на человека
Методы:
- Интернет ресурсы
- анализ, сравнение, обобщение;
Практическое значение
Выпуск брошюры «Загадки Вселенной»
3
Глава 1. Черные дыры Вселенной
Черная дыра – область пространства, в которой гравитационное
притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту
область покинуть. Граница черной дыры называется горизонтом событий, а
её характерный размер — гравитационным радиусом.
Горизонтом событий является точка, в которой вторая космическая
скорость равна скорости света. Внутри черной дыры эта скорость превышает
скорость света. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, ничто и
не может вырваться из пределов горизонта событий. Поэтому из черной
дыры ничто не может вылететь.
Точный изобретатель термина «черная дыра» неизвестен, но само
обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и
впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная:
известное и неизвестное (Our Universe: the Known and Unknown)» 29 декабря
1967 года. Ранее подобные астрофизические объекты называли
«сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары», а также «застывшие
звёзды».
Концепция массивного тела, гравитационное притяжение которого
настолько велико, что скорость, необходимая для преодоления этого
притяжения (вторая космическая скорость), равна или превышает скорость
света, впервые была высказана в 1784 году Джоном Мичеллом в письме,
которое он послал в Королевское общество. Письмо содержало расчёт, из
которого следовало, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с
плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет
равна скорости света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и
оно будет невидимым. Мичелл предположил, что в космосе может
существовать множество таких недоступных наблюдению объектов. В 1796
году Лаплас включил обсуждение этой идеи в свой труд «Exposition du
Systeme du Monde», однако в последующих изданиях этот раздел был
опущен. Тем не менее, именно благодаря Лапласу эта мысль получила
некоторую известность.
Более 100 лет проблема взаимодействия света и гравитации была в
забвении. Но к ней пришлось вернуться, когда в конце 1915 года Эйнштейн
опубликовал Общую теорию относительности - революционное объяснение
сущности тяготения.
Немецкий астроном Карл Шварцшильд настолько увлекся теорией
гравитации Эйнштейна, что взялся исследовать, как все это отражается на
жизни звезд. Полученные им формулы говорили, что на определенном
расстоянии от звезды время, пространство и масса становятся
взаимозависимыми: время может становиться пространством, пространство временем. Эти парадоксы даже вообразить невозможно, но математически
они отображаются четко.
4
Согласно уравнениям Общей теории относительности, сильные поля
тяготения оказывают замедляющее действие на время, искривляют
пространство.
Все эти теоретические выводы прошли, потом проверку в
экспериментах астрономов и физиков и везде получили подтверждение.
Продолжая изучать природу звезд, астрофизики установили, что это
шары из газа, внутри которых происходит выделение энергии за счет слияния
атомов водорода и образования более тяжелых атомов гелия. Возник вопрос:
а что произойдет со звездой, когда ее топливо, водород, будет исчерпано?
Индийский ученый Субрахманьян Чандрасекар в 1930 году пришел к
выводу, что звезда с массой, не превосходящей 1,4 солнечной, в конце своей
жизни превратится в звезду иного класса - в белого карлика, который
меньше, чем земной шар. Материя в ней сжата так плотно, что атомы теряют
свои электронные оболочки. Электроны начинают жить собственной
жизнью. Их свобода противостоит силам тяготения внутри тела звезды и тем
самым сдерживает дальнейшее спадание вещества к ее центру. Более
тяжелые звезды должны, как считалось в начале изучения этой проблемы,
под действием колоссальной гравитации сжиматься еще больше. Но никто не
представлял, до каких пределов они могут уменьшиться.
Два года спустя после того, как были опубликованы работы
Чандрасекара, английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон. 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. Но это относится к судьбе звезд,
которые имеют массу не более трех солнечных. А что случится со звездой
более тяжелой?
Ответ на вопрос нашли Роберт Оппенгеймер и его ученики в 1939 году.
По их представлениям, нет такой силы, которая могла бы противостоять
коллапсу (сжиманию вещества), если масса звезды более чем в три раза
превосходит солнечную. В этом случае - так говорит теория - все вещество
небесного тела сомкнется в одной точке. Феномен, при котором плотность
материи становится бесконечно большой, математики называют
сингулярностью (от латинского "сингл", что означает "точка"). Радиус такой
компактной звезды будет меньше трех метров, то есть меньше, чем было
определено Шварцшильдом.
Лишь в шестидесятые годы астрофизики всерьез занялись поисками
экзотических объектов Вселенной. Черные дыры стали искать среди тяжелых
мощных источников света. А такие во Вселенной есть. Например, есть
область, которая по размерам равна примерно нашей Солнечной системе, а
излучает энергии в тысячи раз больше, чем все звезды нашей Галактики Млечного Пути.
5
В 1963 году американский астроном М. Шмидт высказал
предположение, что недавно обнаруженный точечный источник радиоволн
может быть черной дырой, еще не полностью закрытой "капсулой"
искривленного пространства. Через год советский физик академик Яков
Зельдович и его американский коллега физик Эдвин Солпитер сообщили о
разработанной ими модели. Модель показала: черная дыра притягивает 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.
Последние компьютерные модели показали, что газовое облако,
находящееся в центре нарождающейся галактики, может породить огромную
черную дыру. Но возможен и другой путь развития: скопление газа вначале
распадется на множество более мелких облаков, которые дадут жизнь
большому числу звезд. Однако и в том, и в другом случае часть космического
газа под действием собственной гравитации в конце концов закончит свою
эволюцию в виде черной дыры.
Астрономические наблюдения, проведенные за последние десять лет,
позволяют с большой степенью достоверности говорить о том, что черная
дыра в Млечном Пути действительно есть, и в ней сосредоточено вещество,
равное трем миллионам солнечных масс.
Совсем недавно удалось доказать, что некоторые черные дыры
вращаются, вовлекая в это движение и окружающее их пространство.
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.
Астрономы теперь точно знают, что под влиянием "линзы тяготения",
которую представляют собой тяжелые звезды и, прежде всего, черные дыры,
реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех,
что нам видятся с Земли. Далекие галактики могут выглядеть для нас
6
бесформенными и более яркими, чем они есть на самом деле из-за того, что
на пути к Земле их свет взаимодействует со множеством "линз тяготения".
Моделирование на компьютере показало, например, что свечение газового
диска, вращающегося вокруг черной дыры, видно и сзади ее "капсулы". Это
означает: тяготение столь велико и пространство так закручено, что свет
проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за
углом.
Вообразим совершенно невероятное: некий отважный космонавт
решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы познать ее тайны. Что
он увидит в этом фантастическом путешествии?
По мере приближения к цели часы на космическом корабле будут все больше
и больше отставать - это вытекает из теории относительности. На подлете к
цели наш путешественник окажется как бы в трубе, кольцом окружающей
черную дыру, но ему будет казаться, что он летит по совершенно прямому
тоннелю, а вовсе не по кругу. Но космонавта ждет еще более удивительное
явление: попав за "горизонт событий" и двигаясь по трубе, он будет видеть
свою спину, свой затылок...
Как только корабль пересечет границу черной дыры, люди на Земле
уже не смогут ничего увидеть из того, что там будет происходить. А на
корабле остановятся часы, все краски будут смещены в сторону красного
цвета: свет потеряет часть энергии в борьбе с гравитацией. Все предметы
приобретут странные искаженные очертания. И, наконец, даже если эта
черная дыра будет всего вдвое тяжелее, чем наше Солнце, притяжение станет
столь сильным, что и корабль, и его гипотетический капитан будут вытянуты
в шнурок и вскорости разорваны. Материя, попавшая внутрь черной дыры,
не сможет противостоять силам, влекущим ее к центру. Вероятно, материя
распадется и перейдет в сингулярное состояние.
Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет
частью какой-то иной Вселенной - черные дыры связывают наш космос с
другими мирами.
Если существует минимальная черная дыра, то возникает вопрос, а
существует ли максимальная? Астрономы Прия Натараян и Эзекиль
Трейстер утверждают, что нашли ответ на этот вопрос: чёрные дыры могут
достигать массы в пятьдесят миллиардов солнц. И это предел. Гигантские
чёрные дыры существуют в центре практически всех галактик. Считается,
что чёрные дыры превращаются в сверхмассивные насосы из мелких дыр,
поглощающих всё на своём пути. Самая крупная чёрная дыра, размер
которой достоверно установлен, находится в галактике Messier 87 и имеет
массу 3 миллиарда солнц. Размер этой дыры расчитан с основой на скорость
газа, вращающегося вокруг дыры.
Зная скорость роста самых больших известных чёрных дыр, учёные смогли
расчитать их размер на более ранних стадиях вселенской истории. Было
установлено, что эти чёрные дыры раньше имели массу примерно в
миллиард солнц, а в настоящее время выросли в несколько раз и стали
7
«сверхмассивными» чёрными дырами. Согласно расчётам Натараян и
Трейстера современная масса таких сверхмассивных дыр превышает массу
солнца в 5 - 50 миллиардов раз.
8
Глава 2.Влияние черных дыр на Землю
Одна из популярных сегодня страшилок гласит: в нашу планету может
врезаться черная дыра. Что останется от Земли, если такое и в самом деле
произойдет? Ведь ученые, на удивление, не считают подобный катаклизм
фантастическим.
До сих пор речь шла лишь о гигантских дырах, которые, как правило,
располагаются в центре галактик. И образуются при коллапсе светил. Если на
пути нашей планеты попадется гигантский монстр, ей, конечно, не выжить сожрет. Хотя вероятность подобной встречи крайне мала - на грани
теоретической. Оказывается, куда больше шансов столкнуться с «меньшим
братом» гиганта.
В последнее время появились гипотезы, которые расширили «дырявое
семейство». Мол, сразу после Большого взрыва - почти 14 миллиардов лет
назад, - наравне с колоссальными возникли и микроскопические черные
дыры - эдакие дырочки диаметром много меньше атома. Тем не менее
вещество такой крохотули настолько плотное, что она, по мнению ученых,
может весить, как астероид с поперечником в несколько сотен метров, миллиарды тонн.
Астрофизики предполагают: «дырочки-тяжеловесы» вполне могут
врезаться в Землю, подлетая со скоростью 200 - 400 километров в секунду.
Что при этом произойдет?
Казалось бы, черная дыра, пусть даже крохотная - размером с атомную
частицу, но очень тяжелая - в миллиарды тонн, должна разнести нашу
планету вдребезги. Но ученые, на удивление, так не считают.
- Результатом встречи будет сейсмическая волна, которая достигнет всех
точек поверхности планеты примерно одновременно, - уверяют профессора
Шраван Ханасоуг и Ян Ло из Принстонского университета. - Столкновение
приведет к относительно небольшому землетрясению магнитудой 4. В его
эпицентре лишь могут вздрогнуть стекла окон, задрожат здания. Но
разрушения вряд ли произойдут.
Кроме того, ученые определили: миниатюрные черные дыры врезаются
непосредственно в Землю примерно раз в 10 миллионов лет. А вот рядом
«малышки» пролетают гораздо чаще: раз в 100 тысяч лет.
Идею поиска миниатюрных черных дыр недавно предложил коллектив
ученых под руководством Иосифа Хрипловича из новосибирского Института
ядерной физики имени Будкера. По их расчетам, пролет миниатюрной дыры
сквозь Землю должен сопровождаться звуковой волной, а также
образованием особого радиоактивного следа в толще планеты.
Но есть и другое мнение.
Жертвы черных дыр
Летательные аппараты, созданные человеком, находятся под постоянной
невидимой угрозой со стороны таинственных сил.
Впервые столкновение двух самолетов было зарегистрировано в 1922 году во
Франции. Самолеты двигались в точку своего назначения вдоль железной
9
дороги. В нескольких десятках километров от Парижа пути самолетов
пересеклись. В катастрофе погибло семь человек.
Утром 30 июня 1956 года из международного аэропорта Лос-Анджелеса
вылетел красавец “Супер Констеллейшн”. Его путь лежал в Канзас-Сити.
Через три минуты с той же полосы ушел в небо “ДС-7”. “Дуглас”
направлялся в Чикаго. Курс обоих самолетов проходил прямо над Большим
Каньоном. Несмотря на различные маршруты, расстояние между самолетами
постепенно сокращалось. Пока 600 м разделяли самолеты по высоте, все шло
хорошо. Но неожиданно над Большим Каньоном самолеты стали сближаться,
словно их притягивал мощный магнит. Через секунды самолеты столкнулись
и, потеряв управление, упали на дно Каньона. Прозвучали взрывы. Погибло
120 человек. Авиация получила страшный урок, но роковая сила продолжала
сталкивать самолеты.
В мрачной статистике авиакатастроф отмечено и сталкивание самолетов,
которые двигались из различных аэропортов в разные пункты назначения.
Какой невероятный магнит притягивает их друг к другу? Очевидно одно: по
загадочным причинам самолеты оказываются не просто в одном воздушном
коридоре, а в одной точке и в одно время, что просто невероятно.
Экипажи самолетов, естественно, сами никогда не пойдут на роковое
сближение. Непонятно, почему против воли летчиков столкновения все же
происходят? Для того чтобы самолеты столкнулись, нужно снайперское
искусство и желание экипажа хотя бы одного из самолетов. Какая
невероятная сила приводит к этим страшным авиакатастрофам?
Мощная сила притяжения черной дыры способна сталкивать самолеты. Если
между ними оказывается силовой центр (черная дыра), то вопреки
вероятностным оценкам и воле летчиков самолеты пойдут на сближение в
направлении общего для них притягивающего центра. Если действие его
достаточно велико, то столкновение неизбежно.
Даже кратковременное воздействие (десятая доли секунды) черной дыры
размером с атом между самолетами, находящимся в соседних воздушных
коридорах, приводит к неизбежному столкновению.
Воздействие черной дыры на объект может быть различной. Она, подобно
мощным восходящим и снисходящим воздушным потокам, может в
считанные секунды бросить самолет на огромную высоту вверх или же
наоборот, бросить резко вниз, вплоть до столкновения с землей. Если же
гравитационное воздействие черной дыры достаточно мало, то ее влияние на
самолет будет более частым и обыденным, подобно эффекту воздушных ям.
Тунгусское чудо
Событие, которое произошло в окрестностях реки Тунгуски (Сибирь) 30
июня 1908 года, поразило всех. Такого не было ещё на нашей планете.
Кромешный ад начался в 7 часов 17 минут. Гигантский огненный шар закрыл
большую часть неба и затмил Солнце. Жуткий грохот прозвучал на
громадных просторах.
10
Мощная волна жары опалила вокруг деревья и вызвала пожары. Огонь
уничтожил лес на площади 6000 квадратных километров. Чудовищный ветер
вырывал деревья вместе с корнями. Воздушная волна обогнула Землю.
Воздействие необычной ударной волны было отмечено во всём мире.
Энергия взрыва превзошла энергию взрыва атомной бомбы в тысячи раз.
Ночь пропала на трое суток в некоторых странах северного полушария.
Необычные световые явления наблюдались в России, Европе, Японии. Ночи
сменились днями на трое суток. Необыкновенные зеленоватые и розовые
лучи пробивались даже сквозь розовые тучи. Чужой, диковинный свет
освещал по ночам землю.Все попытки объяснить Тунгусскую загадку не
приводили к успеху. В 1973 году была опубликована статья американских
учёных А.А.Джексона и М.П.Риана в известном журнале «Нейчур». Учёные
подошли иначе к проблеме. Их статья называлась: «не было ли тунгусское
событие вызвано чёрной дырой?».
Это была первая попытка объяснить земной феномен с помощью модели
чёрной дыры. Она была долгое время единственной. Но согласно авторам,
это была внеземная чёрная дыра – случайная гостья на Земле. Тунгусский
метеорит образовал огненный след, его движение сопровождалось тепловым
излучением и ударной волной. Ни кратер, ни метеоритное вещество не были
обнаружены до настоящего времени. Энергия тунгусской катастрофы
оценивается величиной 1024 эрг. Чёрная дыра, которая имеет космическую
скорость и массу 1022 грамм (размер крупной молекулы), может выделить
такую величину энергии. Чёрная дыра вошла в сибирскую землю,
«пронзила» планету насквозь и вышла наружу в Северной Атлантике.
Учёные полагали, что эта малая чёрная дыра должна была наблюдаться как
«ярко-голубая труба». Очевидцы свидетельствовали об этом. Чёрная дыра не
оставляет ни кратера, ни остатков метеоритного вещества. Это объясняет
основную особенность Тунгусского феномена – отсутствие остатков
астероида.Чёрная дыра должна была выйти в антиподной области Земли – в
северной Атлантике. Это должно вызвать грандиозные волны в области
выхода отона. Но подобный феномен не был зарегистрирован, что поставило
под сомнение подобное объяснение.
11
Заключение.
Итак, на мой взгляд, в рамках своего исследования мне удалось решить
поставленную проблему: мы познакомились с природой черных дыр, с тем,
что происходит в их окрестностях и что может происходить внутри самих
дыр. Можно сказать, что черные дыры - совершенно исключительные
объекты, не похожие ни на что, известное до сих пор. Это не тела в обычном
смысле слова и не излучение. Это дыры в пространстве и времени,
возникающие из-за очень сильного искривления пространства и изменения
характера течения времени в стремительно взрастающем гравитационном
поле.
Несмотря на весь прогресс, достигнутый в их изучении, природа
пространства и времени черных дыр в большой мере остается загадочной.
Некоторые аспекты этой проблемы все еще выглядят как научные забавы,
интересные только для специалистов. Изучение чёрных дыр продолжается …
Поэтому я не могу однозначно подтвердить или опровергнуть свою гипотезу.
Я буду продолжать свое исследование, и следить за событиями
относительно черных дыр. И когда-нибудь я найду ответ на свой вопрос.
12
Источники информации:
Интернет ресурсы:
https://ru.wikipedia.org/wiki
http://rusnauka.narod.ru/lib/phisic/blackwhole/Novik/blackn.htm
http://wsyachina.narod.ru/astronomy/blackhole_5.html
http://v-kosmose.com/chernyie-dyiryi-v-kosmose
http://ru.science.wikia.com/wiki
13