Черные дыры и перспективы их изучения

Название дисциплины - Концепции Современного Естествознания
Оценка работы - 5 ...

Введение…………………………………………………………………………3
1. Что из себя представляют черные дыры?.. ……….…………………………4
2. Свойства черных дыр …………………………………………………………6
3. Перспективы изучения черных дыр………………………………………....10
Заключение…………….…………………………………………………………11
Список используемой литературы……………………………………………..13

Уже несколько десятилетий астрономический мир волнует проблема существования «черных дыр» во вселенной — удивительнейших объектов, предсказанных физиками на основе общей теории относительности А. Эйнштейна.
«Черные дыры» — объекты вселенной, материальные тела, сжатые силами собственного тяготения до таких размеров, что ни свет, ни какие - либо другие частицы не могут покинуть поверхность и уйти в бесконечность.
В наше время трудно найти человека, который не слышал бы о черных дырах. Вместе с тем, пожалуй, не менее трудно отыскать того, кто смог бы объяснить, что это такое. Впрочем, для специалистов черные дыры уже перестали быть фантастикой - астрономические наблюдения давно доказали существование как "малых" черных дыр (с массой порядка солнечной), которые образовались в результате грав итационного сжатия звезд, так и сверхмассивных (до 109 масс Солнца), которые породил коллапс целых звездных скоплений в центрах многих галактик, включая нашу. В настоящее время микроскопические черные дыры ищут в потоках космических лучей сверхвысоких энергий (международная лаборатория Pierre Auger, Аргентина) и даже предполагают "наладить их производство" на Большом адронном коллайдере (БАК).
Однако подлинная роль черных дыр, их "предназначение" для Вселенной, находится далеко за рамками астрономии и физики элементарных частиц. При их изучении исследователи глубоко продвинулись в научном понимании прежде сугубо философских вопросов - что есть пространство и время, какова связь между материей и информацией.
Целью данной работы является раскрытие сущности черных дыр и их свойств, а также рассмотрение перспектив изучения этого космического феномена.

Расчет идеализированного сферического коллапса показывает, что за короткое время вещество под горизонтом событий сжимается в точку, где достигаются бесконечно большие значения плотности и тяготения. Такую точку называют "сингулярностью". Более того, математический анализ показывает, что если возник горизонт событий, то даже несферический коллапс приводит к сингулярности. Однако, все это верно лишь в том случае, если общая теория относительности применима вплоть до очень малых пространственных масштабов, в чем пока нет уверенности. В микромире действуют квантовые законы, а квантовая теория гравитации еще не создана.
Изучая фундаментальные свойства материи и пространства - времени, физики считают исследование черных дыр одним из важнейших направлений, поскольку вблизи черных дыр проявляются скрытые свойства гравитации. Для поведения вещества и излучения в слабых гравитационных полях различные теории тяготения дают почти неразличимые прогнозы, однако в сильных полях, характерных для черных дыр, предсказания различных теорий существенно расходятся, что дает ключ к выявлению лучшей среди них. В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации – ОТО Эйнштейна – свойства черных дыр изучены весьма подробно. Вот некоторые важнейшие из них:
1) Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если удаленный наблюдатель бросит в сторону черной дыры зажженный фонарь, то увидит, как фонарь будет падать все быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к поверхности Шварцшильда, начнет замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть (поскольку замедлится темп колебания всех его атомов и молекул). С точки зрения далекого наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность черной дыры.
Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда вместе с фонарем, то он за короткое время пересек бы поверхность Шварцшильда и упал к центру черной дыры, будучи при этом разорван ее мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра.
2) Каким бы сложным ни было исходное тело, после его сжатия в черную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: полную массу, момент импульса (связанный с вращением) и электрический заряд. Все остальные особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав )в ходе коллапса "стираются". Что для стороннего наблюдателя структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой.
В процессе коллапса звезды в черную дыру за малую долю секунды (по часам удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные с исходной неоднородностью, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Образовавшаяся стационарная черная дыра "забывает" всю информацию об исходной звезде, кроме трех величин: полной массы, момента импульса (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая черную дыру, уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, была ли она вытянутой или сплюснутой и т.п. В реальных астрофизических условиях заряженная черная дыра будет притягивать к себе из межзвездной среды частицы противоположного знака, и ее заряд быстро станет нулевым. Оставшийся стационарный объект либо будет не вращающейся "шварцшильдовой черной дырой", которая характеризуется только массой, либо вращающейся "керровской черной дырой", которая характеризуется массой и моментом импульса.
3) Если исходное тело вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется "вихревое" гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее. Поле тяготения вращающейся черной дыры называют полем Керра (математик Рой Керр в 1963 нашел решение соответствующих уравнений). Этот эффект характерен не только для черной дыры, но для любого вращающегося тела, даже для Земли. По этой причине размещенный на искусственном спутнике Земли свободно вращающийся гироскоп испытывает медленную прецессию относительно далеких звезд. Вблизи Земли этот эффект едва заметен, но вблизи черной дыры он выражен гораздо сильнее: по скорости прецессии гироскопа можно измерить момент импульса черной дыры, хотя сама она не видна.
Чем ближе мы подходим к горизонту черной дыры, тем сильнее становится эффект увлечения "вихревым полем". Прежде чем достичь горизонта, мы окажемся на поверхности, где увлечение становится настолько сильным, что ни один наблюдатель не может оставаться неподвижным (т. е. быть "статическим") относительно далеких звезд. На этой поверхности (называемой пределом статичности) и внутри нее все объекты должны двигаться по орбите вокруг черной дыры в том же направлении, в котором вращается сама дыра. Независимо от того, какую мощность развивают его реактивные двигатели, наблюдатель внутри предела статичности никогда не сможет остановить свое вращательное движение относительно далеких звезд.
4) Все вещество внутри горизонта событий черной дыры непременно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хоукинг определяет сингулярность как "место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени".
5) Кроме этого С.Хоукинг открыл возможность очень медленного самопроизвольного квантового "испарения" черных дыр. В 1974 он доказал, что черные дыры (не только вращающиеся, но любые) могут испускать вещество и излучение, однако заметно это будет лишь в том случае, если масса самой дыры относительно невелика. Мощное гравитационное поле вблизи черной дыры должно рождать пары частица-античастица. Одна из частиц каждой пары поглощается дырой, а вторая испускается наружу. Например, черная дыра с массой 1012 кг должна вести себя как тело с температурой 1011 К, излучающее очень жесткие гамма-кванты и частицы. Идея об "испарении" черных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.
3. Перспективы изучения черных дыр
Астрономы получили наблюдательные подтверждения того, что некоторые чёрные дыры вращаются вокруг своей оси, подобно водоворотам. Tod Strohmayer (NASA's Goddard Space Flight Center) исследовал одну из двойных систем с чёрной дырой с помощью орбитального телескопа Rossi X-ray Timing Explorer и нашёл необычные детали в рентгеновском излучении этой системы, которые раньше были видны только у вращающихся нейтронных звёзд. Следовательно, чёрные дыры, как и нейтронные звёзды, могут вращаться вокруг своей оси. Strohmayer представил результаты своих исследований на Весенней Конференции Американского Физического Общества в Вашингтоне. Видим, что все почти космические объекты вращаются вокруг своих осей, это и планеты, и звёзды, и галактики," - говорит Strohmayer. "С чёрными дырами - сложнее, очень трудно непосредственно увидеть, что они вращаются, так как у них нет твердой поверхности, по которой можно было бы отметить вращение. Мы можем, однако, видеть свет, излучённый веществом, падающим на чёрную дыру.
Астрономы обнаружили относительно малую черную дыру в центре галактики NGC 4395 в созвездии Гончих Псов, которая излучает в рентгене так же интенсивно, как черные дыры обычных размеров.NGC 4395 - первая галактика, в центре которой найдена маленькая, но очень эффективная сверхмассивная черная дыра.В статье, которая была опубликована в Monthly Notices Королевского Астрономического Общества, астрономы из института астрономии Кембриджского университета пишут о том, что они обнаружили "крошечную" супермассивную черную дыру, которая, вопреки математическим ожиданиям, является столь же мощной, как большие черные дыры в центрах других галактик.Черная дыра, расположенная в галактике NGC 4395, массивнее нашего Солнца в 50000 раз. Обычные известные нам сверхмассивные черные дыры, как правило, в миллионы и миллиарды раз массивнее Солнца. Согласно астрономам, эта черная дыра "работает" так же, как обычная сверхмассивная черная дыра, несмотря на ее малые размеры.
Заключение
Чёрные дыры являются совершенно необычными по своим свойствам объектами. Несмотря на весь прогресс, достигнутый в их изучении, природа пространства и времени чёрных дыр в большой мере остаётся загадочной. Некоторые аспекты этой проблемы всё ещё выглядят как научные забавы, интересные только для специалистов.
В последние годы наши представления о черных дырах заметно изменились. Еще недавно эти объекты считались экзотическими. Теперь астрономы уверены, что Вселенная изобилует черными дырами. По расчетам ученых, их не менее 400 миллионов. Парадоксально, но факт: почти половина всего света во Вселенной порождена самыми мрачными космическими объектами — черными дырами. Они преобразуют вещество в энергию света эффективнее, чем любая звезда.
Однако механизм коллапса поразительно напоминает схему формирования черной дыры. Когда звезда «выгорает», ее руины под действием собственной тяжести сжимаются. На месте звезды образуется невероятно плотный объект — черная дыра. Даже свет не должен вырваться из ее недр. В то же время лишь на ее примере можно изучать процессы, которые предшествовали Большому Взрыву и привели к рождению новой Вселенной.
Черная дыра — их живая модель, заменяющая космологам сложнейшие математические формулы, которыми они описывают Большой Взрыв.
Сложнее становится и представление о черных дырах. Астрономы научились различать в этих сгустках мрака несколько разновидностей:
*миниатюрные черные дыры диаметром несколько километров; они образуются при коллапсе звезды, и их масса незначительно превышает массу Солнца;