XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Черные дыры – загадочные объекты во Вселенной

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Загорулько А.В. 1

---

1МАОУ «Лицей № 90 им. М.Ю. Лермонтова», г. Краснодар

Мацкайлова Е.В. 1

---

1ВШЭ

Работа в формате PDF

2.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Актуальность. Тема космоса интересовала людей во все времена. Какие тайны скрывает звездное небо? Одна из таких тайн заинтересовала и меня, когда я прочел несколько книг Стивена Хокинга о черных дырах. Черные дыры – это одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Они не похожи ни на планеты, ни на звезды или другие известные нам небесные тела, поскольку все, что приближается к ним, может исчезнуть.

Изучение черных дыр в настоящее время очень актуально, так как это дает новые фундаментальные представления о природе пространства и времени. Черные дыры создают условия, которые на данный момент невозможно воспроизвести в лабораторных условиях на Земле.

Неудивительно, что исследованиями этих загадочных объектов занимаются ученые со всего мира. На переднем крае таких исследований находятся астрофизика и астрономия. За последние 10 лет за научные открытия в астрономии, в том числе в области черных дыр, трижды в 2017, 2019 и 2020 гг. присуждалась Нобелевская премия по физике.

Меня тема черных дыр также очень заинтересовала. Сначала я прочел книги Стивена Хокинга. Я выяснил, что данная тема изучалась многими учеными в разное время и в разных странах мира, в том числе: СССР, США, Великобритании, современной России.

Чтобы разобраться в вопросах, связанных с природой черных дыр, особенностями их возникновения и функционирования, я нашел и изучил большое количество источников в научной литературе, разные взгляды и научные подходы ученых, которое занимались исследованиями в этой области и которые дают представление о том, как устроены эти объекты во Вселенной.

Цель работы – исследовать черные дыры, изучив информацию о них из открытых источников, материалов лекций, научно-популярных книг и фильмов.

Задачи работы:

• изучить теоретические аспекты черных дыр;

• рассмотреть виды черных дыр и дать их характеристику;

• определить, какие области науки, организации и ученые, занимаются изучением черных дыр;

• разработать анкету о феномене черных дыр и провести анкетирование среди школьников, для определения уровня их осведомленности и интереса к данной проблематике;

• найти информацию о черных дырах, посещая лекции по астрофизике, музеи, выставки по космической тематике и обсерватории;

• рассказать о результатах своего исследования на внутришкольных и всероссийских научно-практических конференциях с целью популяризации этой темы среди школьников.

Объектом исследования являются черные дыры во Вселенной.

Предмет исследования – свойства и характеристики черных дыр.

Гипотеза – черную дыру можно увидеть при помощи современного оборудования.

Источником информации послужили книги, научные статьи и материалы лекций по данной тематике.

Структура работы. Работа состоит из введения, двух частей, пяти подпунктов, заключения, списка использованных источников и литературы, приложений.

Часть I Теоретические аспекты черных дыр.

1.1 Черные дыры: сущность и виды.

Черные дыры — это космические объекты с невероятно мощным тяготением. На определенном расстоянии от центра черной дыры оно так велико, что ничто, даже свет, не может противостоять ему [1]. Поэтому, все, что приближается к точке невозврата черной дыры (горизонту событий) может исчезнуть навсегда. Примерное изображение черной дыры представлено на рис.1 [5].

Рис. 1. Визуализация черной дыры. Источник: [5].

Во Вселенной существует несколько видов черных дыр. Их можно классифицировать по следующим признакам: массе, возрасту и др.

В зависимости от размера черные дыры бывают от сверхмассивных до довольно компактных.

Некоторые ученые считают, что самые маленькие черные дыры могут иметь размер всего один атом. Однако, несмотря на размеры, они имеют массу огромной горы. Масса - это количество материи или «материала» в объекте [18].

Самые большие из известных науке черных дыр были обнаружены в ядрах галактик. Масса таких объектов сопоставима с миллиардами тяжелых звезд, поэтому их назвали сверхмассивными черными дырами. На данный момент они обнаружены в нескольких сотнях галактик, в том числе, нашей [14].

Также ученые предполагают существование «Изначального» (первичного) типа черных дыр, возникших посредством сжатия очень плотного вещества в момент раннего расширения Вселенной (в первые несколько секунд). Такие черные дыры могли испариться по мере старения космоса [15].

Рассмотрим доказанные типы черных дыр (см. Табл. 1). По классификации NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) существуют следующие 3 типа черных дыр:

1. Звездный;

2. Средний;

3. Сверхмассивный.

Таблица 1.

Типы черных дыр.

Источник: составлено по: [15, 56]

Черные дыры звездного типа имеют массу в пределах от нескольких масс до сотен масс Солнца (Масса Солнца ≈ 2 * 10³⁰ кг). В Млечном пути может быть множество черных дыр звездной массы. Одна из самых маленьких черных дыр, известных на сегодняшний день, находится в созвездии Жертвенник и имеет размеры с небольшой город. При этом масса ее оценивается в 5-10 Солнц.

Некоторые черные дыры звездной массы были обнаружены учеными, так как они находились в паре с другими звездами (см.рис. 3).

Черные дыры средней массы должны помочь нам понять эволюционную связь между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами. Однако существование черных дыр средней массы все еще неопределенно, и поэтому процесс их формирования неизвестен. Предположительно, промежуточные черные дыры могут образовываться и находиться в плотных звездных системах. Поэтому в течение многих десятилетий наблюдения астрофизиков были нацелены на шаровые скопления в поисках признаков этих неуловимых объектов [58]. По мнению Булента Кызылтана (Bulent Kiziltan) из Гарвардского университета (США) «...возможно, что они представляют собой первичные "зародыши", которые со временем превращаются в монстров, присутствующих в центрах галактик сегодня».

Рассмотрим самые большие черные дыры, которые называют «сверхмассивными». Все сверхмассивные черные дыры не равны (см. рис. 2). Масса их варьируется от 100 000 до, более чем 60 миллиардов масс нашего Солнца [57].

Ученые нашли доказательства того, что каждая большая галактика содержит сверхмассивную черную дыру в своем центре. Сверхмассивная черная дыра в центре галактики Млечный Путь называется «Стрелец А». Она имеет массу, равную примерно 4 млн Солнц, и поместится внутри очень большого шара, который может вместить несколько миллионов планет, похожих на Землю [18].

Рис. 2. Сравнение сверхмассивных черных дыр. Источник [16].

Самая тяжелая черная дыра из обнаруженных находится в созвездии Гончих Псов: масса ее составляет 66 миллиардов Солнц.

Таблица 2.

Примеры черных дыр во Вселенной

Источник: [15,57, 58, 59]

Автор задался вопросом, каково же количество черных дыр во Вселенной?

Рис. 3. Расположение черных дыр звездной массы, открытых в рамках обзора Gaia [59].

Одна наша галактика состоит из более чем 100 миллионов черных дыр звездной массы, плюс сверхмассивный «Стрелец А» в ее ядре. Во Вселенной почти 100 миллиардов галактик, каждая из которых имеет ядро ​​в виде сверхмассивной черной дыры и 100 миллионов черных дыр звездной массы (в то время как другие типы еще изучаются) [24]. Таким образом, ученые считают, что подсчитать количество черных дыр во Вселенной соизмеримо попытке подсчитать количество песчинок на Земле.

1.2 Образование черных дыр.

Существует пять сценариев образования черных дыр, три из которых можно отнести к реалистичным, а два – к гипотетическим.

К реалистичным сценариям относятся:

1. гравитационный коллапс;

2. килоновый коллапс;

3. коллапс центральной части галактики или протогалактического газа.

К гипотетическим сценариям относят:

4. формирование черных дыр сразу после Большого взрыва (первичные черные дыры);

5. возникновение в ядерных реакциях очень высоких энергий [7].

Согласно сценарию гравитационного коллапса, черные дыры образуются на финальной стадии эволюции сверхмассивных звезд – массой в 10 Солнц и более. После завершения ядерных реакций в ее недрах, давление изнутри исчезает, и сила собственной гравитации сжимает звезду настолько сильно, что она превращается в сверхплотный объект [6].

Килоновый коллапс – это рождение черной дыры в результате слияния двух нейтронных звезд.

Процесс появления черных дыр в гипотезе коллапса центральной части галактики/области протогалактического газа, по сути, очень похож на первый сценарий, только коллапсирует под собственным весом не отдельная звезда, а часть галактики [4].

Считается, что первичные черные дыры появились после Большого взрыва. Согласно этой гипотезе, давление и температура в космосе были сверхвысокими. В таких условиях простые колебания плотности материи, например, начало расширения Вселенной, были достаточно значительными, чтобы появились территории с такой гравитацией. При этом большинство областей с высокой плотностью удалилось друг от друга из-за расширения Вселенной.

1.3 Анатомия черных дыр.

Рассмотрим структуру черной дыры, в нее всходит:

1. Горизонт событий;

2. Аккреционный диск;

3. Тень горизонта событий;

4. Фотонная сфера;

5. Доплеровское излучение;

6. Корона;

7. Струи частиц;

8. Сингулярность.

Рассмотрим каждый из элементов более подробно (см. рис. 4).

Рис. 4. Структура черной дыры. Источник: [17].

Горизонт событий - это поверхность черной дыры. Внутри этой границы скорость, необходимая для того, чтобы покинуть черную дыру, превышает скорость света, которая является предельной скоростью для любого объекта. Таким образом, все, что попадает в горизонт событий, обречено оставаться внутри него — даже свет.

Аккреционный диск — это структура, которая является основным источником света, исходящего от черной дыры. Черные дыры растут за счет поглощения материи — этот процесс ученые называют аккрецией и за счет слияния с другими черными дырами. Черная дыра звездной массы, находящаяся в паре со звездой, может поглощать газ из нее, а сверхмассивная черная дыра делает то же самое со звездами, которые подходят слишком близко. Газ оседает на горячем, ярком, быстро вращающемся диске. Материя постепенно перемещается от внешней части диска к его внутреннему краю, где она попадает в горизонт событий. У изолированных черных дыр, поглотивших окружающую их материю, нет аккреционного диска, и их очень трудно найти и изучить.

Корона (см. рис. 5) – это место называют одной из самых экстремальных физических сред во Вселенной. Сильные магнитные поля, которые пронизывают внутренний аккреционный диск, выходят за его пределы. Они создают разреженное турбулентное облако с температурой в миллиард градусов. Частицы в короне вращаются вокруг черной дыры со скоростью, близкой к скорости света. Это источник рентгеновского излучения с гораздо более высокой энергией, чем у излучения аккреционного диска.

Рис. 5. Корона черной дыры Источник: НАСА/Аврора Симоннет (Университет штата Сонома)[17].

Горизонт событий поглощает любой проходящий через него свет, а искаженное пространство-время вокруг него заставляет свет перенаправляться посредством гравитационного линзирования. Это процесс, при котором гравитационное поле черной дыры искривляет пространство-время и свет должен следовать по этому искривленному пути. Эти два эффекта создают темную зону, которую астрономы называют тенью горизонта событий. Она примерно в два раза больше реальной поверхности черной дыры. Фотонная сфера. Под любым углом обзора на краю тени черной дыры появляются тонкие световые кольца. Эти кольца на самом деле являются множественными сильно искаженными изображениями аккреционного диска. Здесь свет от диска фактически несколько раз проходит вокруг черной дыры, прежде чем попасть к нам. Кольца, расположенные ближе к черной дыре, становятся тоньше и слабее.

Доплеровское излучение. Если смотреть на аккреционный диск под разными углами, то одна его сторона кажется ярче другой. Рядом с черной дырой диск вращается так быстро, что становится заметен эффект теории относительности Эйнштейна. Свет, исходящий от той части диска, которая вращается по направлению к нам, становится ярче и синее, а свет, исходящий от той части диска, которая вращается от нас, становится тусклее и краснее. Это оптический эквивалент повседневного акустического явления, когда высота и громкость звука, например сирены, увеличиваются и уменьшаются по мере приближения и удаления источника звука. Струи частиц черной дыры демонстрируют этот эффект еще более ярко.

Струи частиц. В черных дырах всех размеров у внутреннего края аккреционного диска может происходить нечто странное. Небольшое количество материала, направленного к черной дыре, может внезапно превратиться в пару струй, которые вырываются из нее в противоположных направлениях. Эти струи выбрасывают частицы со скоростью, близкой к скорости света.

Сингулярность. В самом центре черной дыры находится точка, в которой материя сжата до бесконечной плотности. Это конечная точка для всего, что попадает за горизонт событий. Сингулярность может быть как физической структурой, так и чисто математической.

1.4 Научные исследования феномена черных дыр.

Термин «черная дыра» впервые публично употребил физик, один из создателей американской атомной бомбы, Джон Арчибальд Уилер - член научной группы Роберта Оппенгеймера) в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» (англ. Our Universe: the Known and Unknown) 29 декабря 1967 года (см. рис. 6).

Рис. 6. Джон Арчибальд Уилер, автор термина «черные дыры». Источник: [37].

Однако, первым мысль о существовании столь массивного тела, что из его «гравитационных объятий» не может вырваться даже свет, высказал в конце XVIII века английский священник Джон Мичелл (John Michell), которого считают одним из основоположников современной геологии и сейсмологии (см. рис. 7).

В 1783 году Джон Мичелл задался вопросом: «Если звезда обладает достаточно мощной гравитацией и фотоны не могут покинуть ее поверхность, то будет ли она абсолютно черной?». Логика священника была изящно проста: массивная звезда обладает достаточной гравитацией, чтобы удерживать в плену собственные фотоны [38].

Рис. 7. Джон Мичелл. Источник: [38].

Идею об абсолютно неустойчивом небесном теле — сингулярности в космосе выдвинул французский ученый Пьер-Симон де Лаплас в конце 18 века. В записках британского физика Кавендиша есть краткое замечание о возможности существования небесных тел, «запирающих» в своих недрах свет. Однако, эти идеи были прочно забыты и возродились лишь в 20 веке [12].

Спустя 132 года после предположения Джона Мичелла, в ноябре 1915 года, великий физик-теоретик Альберт Эйнштейн отправил на публикацию свою работу с основными уравнениями общей теории относительности (ОТО), которая предсказала существование черных дыр.

Решая составленные им уравнения, немецкий астроном Карл Шварцшильд получил величину радиуса сферы, в которую должна быть «сжата» определенная масса, чтобы вторая космическая скорость для полученного тела превысила скорость света. Некоторое время для обозначения таких объектов использовался термин «невидимые звезды».

Не все ученые вначале согласились с расчетами Шварцшильда, но постепенно понятие «черная дыра» заняло свое место в представлении о Вселенной, хотя до 21 века многие выражали сомнения в существовании таких объектов.

Точку в дискуссии по поводу их реальности поставили наблюдения космического телескопа «Хаббл» и больших радиотелескопов, построенных за последние 30 лет. Они позволили измерить лучевые скорости звезд в непосредственной близости от галактических центров и убедиться в том, что эти звезды обращаются вокруг очень массивного и очень компактного тела, которое само по себе абсолютно ничего не излучает. Из достижений в этом направлении следует упомянуть получение изображения «тени» черной дыры в галактике M87, а также регистрацию гравитационных волн, образованных во время столкновений подобных объектов, специализированными обсерваториями LIGO и Virgo [4].

По мнению известного американского физика-теоретика, одного из создателей «Теории струн», Леонарда Сасскинда: «Если коллапсирующая звезда еще тяжелее, скажем, в пять раз массивнее Солнца, тогда даже плотный нейтронный шар не сможет противостоять сжимающему гравитационному притяжению. В результате финального направленного внутрь взрыва звезда сожмется в сингулярность — точку почти бесконечной плотности и разрушительной силы. Скорость убегания для этого крошечного ядра многократно превосходит скорость света. Так возникает темная звезда, или, как мы сегодня говорим, черная дыра...» [11].

Английский ученый, Лауреат Нобелевской премии 2020 года по физике за изучение черных дыр Роджер Пенроуз еще в 1965 году опубликовал прорывную научную работу, в которой он предложил новые математические методы, значительно расширившие возможности теоретиков, занимающихся ОТО. Используя свои математические наработки, лауреат пришел к важнейшему астрофизическому выводу. Он показал, что, когда очень массивная звезда схлопывается, на ее месте образуется черная дыра массой в несколько Солнц.

Астрономы уже обнаружили объекты, очень похожие на черные дыры звездной массы. Окончательно существование таких черных дыр было установлено несколько лет назад, с открытием гравитационных волн, порожденных их столкновениями. За это открытие в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Тем самым теоретический результат Пенроуза подтвердился наблюдениями.

Рис. 8. Нобелевская премия 2020 год. Источник [60].

Реальность существования черных дыр установили Нобелевские лауреаты-астрофизики Райнхард Генцель из Германии и Андреа Гез из США (см. Табл. 2 и рис. 9). Каждый из них возглавлял собственную научную группу, исследовавшую объект в центре Млечного Пути — Стрелец А*. Это мощный источник радиоволн и других видов электромагнитного излучения, который и изучали астрофизики. Чтобы определить массу и размеры небесного тела, ученые отслеживали движение обращающихся вокруг него звезд. Это было очень трудной задачей, ведь центр Галактики закрыт шлейфом газа и пыли. Ученым пришлось накопить огромное количество данных и изобрести инновационные методы их обработки. Этот объект по размерам не больше Солнечной системы, но при этом имеет массу 4 млн солнечных. Такое тело может быть только черной дырой. В рамках известных физических законов просто не остается других вариантов.

Рис. 9. Нобелевские лауреаты по физике 2020 г. Источник фото: [10]

Таким образом, работы ученых предоставили первые неоспоримые доказательства, что черные дыры существуют в реальности, а не только у теоретиков на бумаге.

Теперь уже никто из профессионалов не сомневается, что в центре Стрельца А* находится сверхмассивная черная дыра.

Похожие объекты есть в центрах практически всех галактик. Считается, что все это сверхмассивные черные дыры, окруженные падающим на них веществом. В 2019 году большая группа астрономов предоставила настолько детальное радио изображение центрального объекта галактики М87, что на нем можно было непосредственно разглядеть черную дыру (темное пятно, в центре которого она находится). Теперь на очереди наша собственная галактика. Прямое изображение ее центральной черной дыры астрономы надеются получить в ближайшие годы.

В ходе исследования автор задался вопросом, какие ученые и отрасли науки занимаются изучением черных дыр. Результаты исследования отражены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3.

Области науки, которые изучают черные дыры.

Источник: составлено автором.

Изучение черных дых автор начал с работ выдающегося британского астрофизика Стивена Хокинга, который написал большое количество научных работ по проблематике черных дыр. Стивен Хокинг использовал теорему Пенроуза при изучении космологической сингулярности. Им был сформулирован ряд новых теорем о сингулярностях, приложимых и к гравитационному коллапсу, и к космологии. В 1970 г. Хокинг и Пенроуз опубликовали совместный обзор полученных результатов, которые в дальнейшем стали называться теоремами о сингулярностях Пенроуза–Хокинга. [10]

Таблица 4.

Ученые, изучавшие черные дыры.

Источник: составлено автором.

Автор узнал, что Стивен Хокинг посещал ученых СССР в 60-е годы. В результате этой поездки он смог сделать свои открытия, опираясь, в том числе, на их работы. Оказалось, что этими выдающимися советскими учеными-астрофизики были академики Яков Борисович Зельдович и Алексей Александрович Старобинский.

После завершения атомных проектов, в 60-е годы ХХ века, Яков Зельдович вплотную занялся изучением астрофизики и космологии. Зельдович достиг поразительных успехов и в этой области. Физик изучал начальные стадии расширения галактики: вместе с коллегами он построил теорию взаимодействия горячей плазмы расширяющейся Вселенной и излучения, а также создал теорию роста возмущений в «горячей» Вселенной в ходе космологического расширения. Кроме того, Зельдович изучал вопросы старения звезд. Его особенно интересовало, что происходит с огненными гигантами после выгорания ядерного горючего, когда давление от реакций внутри звезды уже не может скомпенсировать гравитационные силы, которые ее сжимают. В 1970 году Зельдович сделал вывод о том, что вращающиеся черные дыры способны спонтанно испускать электромагнитные волны. Эти исследования помогли Стивену Хокингу в его работах, в частности статьи академика стали предвестником открытия явления квантового испарения черных дыр. [9]

Во время визита Стивена Хокинга в СССР именно Зельдович Я. Б. и Старобинский совместно продемонстрировали ему, что в соответствии с принципом неопределенности квантовой механики вращающиеся черные дыры должны порождать и излучать частицы [33, 41]. Стивен Хокинг также открыл квантовое испарение черных дыр.

Таблица 5.

НИИ, лаборатории, музеи и вузы, занимающиеся изучением черных дыр.

Источник: составлено автором.

В настоящее время появились новые технологии и средства наблюдений, такие как крупные телескопы, системы приема излучения от астрономических объектов, системы обработки, в т.ч. искусственный интеллект, большие базы данных, анализ и прочее, что дало возможность получить новое качество изучаемого материала и совершить открытия в этой области астрономии [8].

В последние годы очень много астрономических данных приходит из самых разных обсерваторий — наземных и космических.

С помощью американской Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) были открыты гравитационные волны от слияния черных дыр в двойных системах. Реализация этого проекта (стоимостью порядка миллиарда долларов) была осуществлена в США и считается вершиной человеческих технологий. [8]

В нашей стране, в Институте космических исследований РАН, была запущена рентгеновская обсерватория «Спектр - РГ» (СРГ), которая несколько раз отсканировала все небо в рентгеновском диапазоне, что позволит получить достаточно точную карту видимой нами Вселенной для изучения ее объектов.

В космосе, в 1.5 млн км от Земли, работает российская обсерватория СРГ. Руководитель этого уникального космического эксперимента — академик Р.А. Сюняев. Обсерватория регулярно открывает миллионы рентгеновских источников.

Часть II Проведение исследования по теме черных дыр.

2.1 Создание анкеты и проведение анкетирования «Черные дыры – загадочные объекты во Вселенной».

В целях осуществления данного исследования была разработана анкета для целевой аудитории от 12 лет, состоящая из 9 вопросов и проведено анкетирование (см. Приложение 1).

В опросе приняли участие 31 человек, в том числе 45% - молодежь от 12 до 25 лет, 45% — люди старше 40 лет, 10% — от 26 до 40 лет (см. рис. 10).

Рис. 10. Возрастная структура опрошенных.

Результаты анкетирования показали следующие. На вопрос «Знаете ли вы что-нибудь о черных дырах во Вселенной?» 58% респондентов ответили «да».

Рис.11. Ответ на вопрос «Знаете ли вы что-нибудь о черных дырах во Вселенной?».

Несмотря на то, что большинство опрошенных считают, что они хоть что-то знают о феномене черных дыр, на известный факт о том, можно ли увидеть черную дыру в телескоп ответили неверно (45%).

Рис. 12. Ответ на вопрос «Как вы думаете, можно ли увидеть черную дыру в телескоп?».

Однако есть такие вопросы, ответы на которые не вызвали у большинства затруднений, поскольку это общеизвестные факты. Так, на вопросы: «Могут ли черные дыры искажать пространство и время?» и «Сможет ли свет вырваться из черной дыры, если туда попадет?» более 70% опрошенных ответило верно (см. рис. 13).

Рис. 13. Ответы на вопросы анкеты.

Результаты анкетирования показали, что 93 % опрошенных хотели бы узнать больше интересных фактов о черных дырах, и даже ждали ответы на поставленные в анкете вопросы. Поэтому автор решил разработать информационные карточки, где будут содержаться основные сведения о черных дырах и интересные факты о них.

Данный проект имеет практическую значимость для повышения осведомленности и популяризации науки астрофизики среди молодежи.

2.2 Разработка информационных карточек «Интересные факты о черных дырах».

При разработке информационных карточек автор использовал научную литературу и интернет-источники по данной тематике.

Была составлена таблица, состоящая из 18 вопросов, 5 из которых входили в анкетирование и вызвали живой интерес и отклик у респондентов (см. Табл. 5).

Таблица 5.

Интересные факты о черных дырах.

На основе ответов на данные вопросы автором были разработаны информационные карточки с наиболее интересными фактами о черных дырах (см. рис. 14, 15 и Приложение 2).

Рис. 14. Информационные карточки с наиболее интересными фактами о черных дырах.

Рис. 15. Набор разработанных и распечатанных карточек для проведения урока по астрономии

или викторины по теме «Черные дыры во Вселенной».

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные карточки могут быть использованы не только в качестве иллюстрационного материала при презентации, но и самостоятельно при проведении игры-викторины, урока по астрономии, а также для популяризации данной темы среди всех, кто интересуется вопросами космоса и структуры Вселенной.

Заключение.

Тема космоса всегда интересовала людей. Заинтересовала она и меня. Черные дыры-поистине захватывающие объекты, меняющие наше представление о природе пространства-времени и самой Вселенной. В космосе они есть везде: в звездных системах, в межзвездном пространстве, в центрах галактик.

Во Вселенной существует несколько видов черных дыр. Их можно классифицировать по следующим признакам: массе, возрасту и др. По массе они бывают от довольно компактных (от нескольких масс Солнца) до сверхмассивных (от 100 тысяч и более масс Солнца).

Черные дыры могут образовываться в результате разных событий. Существует пять сценариев образования черных дыр, три из которых можно отнести к реалистичным (гравитационный коллапс, килоновый коллапс, коллапс центральной части галактики или протогалактического газа). К гипотетическим же можно отнести два сценария: формирование черных дыр сразу после Большого взрыва и возникновение в ядерных реакциях очень высоких энергий.

Эти объекты имеют сложное строение, детали которого не будут известны еще многие годы. В структуре черных дыр на данный момент ученые выделяют восемь основных элементов: горизонт событий, аккреционный диск, тень горизонта событий, фотонная сфера, доплеровское излучение, корона, струи частиц, сингулярность. К примеру, сингулярность, о природе которой сведений очень мало. Знаем лишь то, что это центр черной дыры, а также точка бесконечной плотности, которая искривляет пространство-время настолько, что даже свет, скорость которого считается предельной, не может покинуть её гравитационное поле.

Изучением черных дыр занимаются ученые разных стран мира. Их работы вносят огромный вклад в продвижение науки вперед.

Автор заинтересовался изучением данного вопроса после прочтения книг Стивена Хокинга, который, будучи студентом, доказал, что черные дыры не просто могут, а должны испаряться. Конечно, этот процесс занимает очень много времени.

Но не только Стивен Хокинг активно изучал черные дыры. Так в 2020 году была присуждена Нобелевская премия трем лауреатам. Роджеру Пенроузу за открытие того, что образование черной дыры является надежным предсказанием теории относительности. А двум другим: Райнхарду Генцелю и Андреа Гез за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики. Почему же во второй формулировке написано «за открытие сверхмассивного компактного объекта», а не черной дыры? Всё очень просто: Нобелевский комитет не был до конца уверен, что это черная дыра.

В ходе работы над проектом автор выяснил, что основу современных представлений о Вселенной заложили советские учёные, работавшие над фундаментальными вопросами физики и астрофизики. Это: Яков Борисович Зельдович, Алексей Александрович Старобинский, Игорь Дмитриевич Новиков и др. Не случайно Стивен Хокинг приезжал в СССР для встречи с ними, что позволило ему продвинуться в своих исследованиях в области черных дыр.

В настоящее время изучением черных дыр занимаются такие отрасли науки, как: астрономия, космология, квантовая механика, астрофизика, космическая физика, физика высоких энергий. Среди основных институтов, занимающихся исследованиями черных дыр в России можно выделить Объединенный Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга (ОГАИШ) при Московском университете и Астрокосмический центр Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (АКЦ ФИАН).

В целях популяризации темы черных дыр автор решил провести анкетирование среди знакомых и школьников. Для этого была разработана анкета для целевой аудитории от 12 лет, состоящая из 9 вопросов. В опросе приняли участие 31 человек, в том числе 45% - молодежь от 12 до 25 лет, 45% — люди старше 40 лет, 10% — от 26 до 40 лет.

Результаты анкетирования показали, что 93 % опрошенных хотели бы узнать больше интересных фактов о черных дырах, и даже ждали ответы на поставленные в анкете вопросы.

Поэтому автор разработал 18 информационных карточек, куда вошли наиболее интересные факты о черных дырах. При разработке карточек были использованы авторитетные научные источники по данной тематике и онлайн редактор Canva.

Карточки могут быть использованы как в качестве иллюстрационного материала при презентации данной работы, так и самостоятельно, для преподавания данной темы среди всех, кто интересуется вопросами космоса и структуры Вселенной.

Данный проект имеет большую практическую значимость для повышения осведомленности и популяризации науки астрофизики среди молодежи.

Список литературы:

1. Доказательство реальности черных дыр // Коммерсантъ. URL: https://www.kommersant.ru/doc/4519773 (дата обращения 31.08.2024).

2. Почему самые маленькие черные дыры искривляют пространство сильнее всего // Хабр. URL: https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/754856/ (дата обращения: 07.09.2024).

3. Хокинг С. Вселенная Стивена Хокинга / С. Хокинг – М. : АСТ, 2021. – 432 с.

4. Иванов С. Черные дыры: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются // Хайтек. URL: https://hightech.fm/2020/02/06/holes-are-black (дата обращения: 11.01.25).

5. Карасева Л. Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары // РБК Тренды. URL: https://trends.rbc.ru/trends/futurology/60741be59a79470547496e3b (дата обращения: 11.01.25).

6. Черные дыры // Музей истории мироздания. URL: https://museum-21.su/interesting/vselennaya/chyernaya-dyra/ (дата обращения 23.09.2024).

7. Черная дыра // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D0%B0(дата обращения 28.09.2024).

8. Магия черных дыр // МГУ. URL: https://msu.ru/press/smiaboutmsu/magiya-chernykh-dyr.html (дата обращения: 12.10.24).

9. Богрянова М. 110 лет назад родился академик Яков Зельдович // Российская академия наук. URL: https://new.ras.ru/activities/news/110-let-nazad-rodilsya-akademik-yakov-zeldovich-/ (дата обращения: 07.12.24).

10. Гальцов Д.В. Нобелевская премия за открытие черных дыр // Физический факультет Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова. URL: https://phys.msu.ru/rus/about/sovphys/ISSUES-2020/04(145)-2020/28490/ (дата обращения: 07.12.24).

11. Сасскинд Л. Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики. -СПб.: Питер, 2013.- 448с.

12. Шапиро С.Л., Тьюколски С.А. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды.-М.: Мир, 1985, 256с.

13. Импи К. Чудовища доктора Эйнштейна: О черных дырах, больших и малых.- М. : Альпина нон-фикшн, 2020. – 374 с.

14. Черные дыры // Музей истории мироздания. URL: https://museum-21.su/interesting/vselennaya/chyernaya-dyra/ (дата обращения: 19.01.25).

15. Black Hole Types // NASA. URL: https://science.nasa.gov/universe/black-holes/types/#stellar-mass (датаобращения: 19.01.25).

16. Анимация НАСА показывает размеры крупнейших черных дыр во Вселенной // NASA. URL: https://svs.gsfc.nasa.gov/14335 (датаобращения: 17.02.25).

17. Анатомия черной дыры // NASA. URL: https://science.nasa.gov/universe/black-holes/anatomy/ (дата обращения: 17.02.25).

18. Меликов Д. Мир: Что такое черные дыры? // МИА МИР. URL: https://xn--80apbncz.xn--p1ai/kosmos/54183 (дата обращения: 19.02.25).

19. Кулькова С. Черные дыры - незримые могильники пространства и времени // Астрономический вестник. URL: https://astro-bratsk.ru/materials/37-interesting/888-black-holes.html (дата обращения: 25.02.25).

20. Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары // РБК. URL: https://trends.rbc.ru/trends/futurology/60741be59a79470547496e3b?from=copyhttps://svs.gsfc.nasa.gov/13043/ (дата обращения: 02.03.25).

21. Мустафин И. Оказывается, в «Интерстелларе» в кадре не раз мелькали советские физики: заметил только один ученый. URL: https://www.kinoafisha.info/articles/okazyvaetsya-v-interstellare-ves-film-pokazyvali-sovetskih-fizikov-zametil-tolko-odin-uchenyy_id95848_a15721177/ (дата обращения: 02.04.25).

22. Положение о учебно-научном институте гравитации и космологии (УНИГК) Российского университета дружбы народов. // URL: https://www.rudn.ru/storage/media/documents/8da37338-7ff2-4de5-aa95-07096fe99555/520f7048162b7b952720583107e935d1.pdf(дата обращения: 05.03.25).

23. 18 интересных фактов о черных дырах // New-Science.ru URL: https://new-science.ru/18-interesnyh-faktov-o-chernyh-dyrah/(дата обращения: 05.03.25).

24. 10 лучших цитат о черных дырах URL: https://dzen.ru/a/XfT75HgSXgCuhby9(дата обращения: 15.03.25).

25. Что происходит в центре черной дыры? // URL: https://dzen.ru/a/ZxOy9p8LskVQJthK(дата обращения: 19.03.25).

26. Эти объекты глубокого космоса намного страшнее черных дыр // URL: https://dzen.ru/a/ZwzYSp-Zuw8_vrya(дата обращения: 24.03.25).

27. Это произойдет, если черная дыра столкнется с нейтронной звездой // URL: https://dzen.ru/a/ZwTVQdUm1HtxLicx(дата обращения: 27.03.25).

28. Астрономы обнаружили новый класс гигантских черных дыр. Одна из них — в центре нашей галактики // URL: https://dzen.ru/a/ZwjLx8oIlSjYjJxH(дата обращения: 29.03.25).

29. Экспериментальная лабораторная астрофизика и геофизика // URL: https://strana-rosatom.ru/ncphm/eksperimentalnaya-laboratornaya-astr/(дата обращения: 29.03.25).

30. Стивен Хокинг: история жизни в книгах https://news.itmo.ru/ru/news/7387/(дата обращения: 25.03.25).

31. 110 лет назад родился академик Яков Зельдович https://new.ras.ru/activities/news/110-let-nazad-rodilsya-akademik-yakov-zeldovich-/ (дата обращения: 27.03.25).

32. Усовершенствовал "Катюшу" и создавал водородную бомбу: жизнь и работа Якова Зельдовича // URL: https://nauka.tass.ru/nauka/20158221/amp?utm_source=new.ras.ru&utm_medium=referral&utm_campaign=new.ras.ru&utm_referrer=new.ras.ru(дата обращения: 22.02.25).

33. Нобелевская премия за открытие черных дыр // Физический факультет МГУ. URL: https://phys.msu.ru/rus/about/sovphys/ISSUES-2020/04(145)-2020/28490/(дата обращения: 22.02.25).

34. Сасскинд Л. Битва при черной дыре // URL: https://elementy.ru/bookclub/chapters/431828/Bitva_pri_chernoy_dyre_Glava_iz_knigi (дата обращения: 06.02.25).

35. Астрономический журнал URL: https://ru.ruwiki.ru/wiki/%D0%90%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B6%D1%83%D1%80%D0%BD%D0%B0%D0%BB (дата обращения: 03.02.25).

36. В США скончался автор термина «черные дыры» // URL: https://www.rbc.ru/society/15/04/2008/5703cc129a79470eaf76a290 (дата обращения 02.03.2025).

37. Священник Джон Мичелл предсказал существование черных дыр за 132 года до Эйнштейна. URL: https://thespaceway.info/space/3845-svyashhennik-dzhon-michell-predskazal-sushhestvovanie-chernyh-dyr-za-132-goda-do-ejnshtejna.html (дата обращения 02.03.2025).

38. Сурдин В. Черная дыра выглядит так, как показано в фильме Интерстеллар? URL: https://rutube.ru/shorts/a8cb7d68ed352335bd646406620eecd5/ (дата обращения 05.04.2025).

39. Астрономический журнал Том 95, номер 7. -2018. URL: https://sciencejournals.ru/cgi/download.pl?jid=astrus&year=2018&file=astrus7_18v95cont.pdf (дата обращения 15.02.2025).

40. Старобинский А.А. Википедия. URL: https://ru.ruwiki.ru/wiki (дата обращения 23.03.2025).

41. Сасскинд, Леонард Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%BD%D0%B4,_%D0%9B%D0%B5%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D1%80%D0%B4 (дата обращения 25.03.2025).

42. Черные дыры, образующиеся при «обратном воспроизведении Большого взрыва», могут объяснить темную энергию URL: https://habr.com/ru/articles/856908/(дата обращения 25.03.2025).

43. Государственный Астрономический Институт имени П.К. Штернберга МГУ URL: https://www.sai.msu.ru/ (дата обращения 12.03.2025).

44. Иванов С. Черные дыры: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются URL: https://hightech.fm/2020/02/06/holes-are-black(дата обращения 15.03.2025).

45. Черные дыры — одни из самых загадочных объектов Вселенной. Разбираемся вместе с астрофизиком Сергеем Поповым, что это такое и почему для их съемки нужны телескопы со всего мира. URL: https://trends.rbc.ru/trends/futurology/60741be59a79470547496e3b?from=copyhttps://trends.rbc.ru/trends/futurology/60741be59a79470547496e3b?from=copy (дата обращения 17.03.2025).

46. Новая симуляция проливает свет на спиральные сверхмассивные черные дыры. URL: https://svs.gsfc.nasa.gov/13043/ (дата обращения 22.03.2025).

47. Types of Black Holes // NASA. URL: https://science.nasa.gov/universe/black-holes/types/#stellar-mass (дата обращения 22.02.2025).

48. Black Hole Anatomy// NASA. URL: https://science.nasa.gov/universe/black-holes/anatomy/ (датаобращения 02.03.2025).

49. 19 увлекательных и любопытных фактов о черных дырах. URL: https://panoramapro.ru/19-uvlekatelnyh-i-ljubopytnyh-faktov-o-chernyh-dyrah/ (дата обращения 04.03.2025).

50. 18 интересных фактов о черных дырах New-Science.ru URL: https://new-science.ru/18-interesnyh-faktov-o-chernyh-dyrah/https://new-science.ru/18-interesnyh-faktov-o-chernyh-dyrah/ (дата обращения 04.03.2025).

51. Дырявая вселенная. Факты о черных дырах от консультанта «Интерстеллара» АиФ. URL: https://aif.ru/society/science/dyryavaya_vselennaya_fakty_o_chernyh_dyrah_ot_konsultanta_interstellara_?from_inject=1 (дата обращения 04.03.2025).

52. Новый телескоп, размером с земной шар, сможет увидеть черную дыру в центре Млечного Пути. URL: http://www.sinp.msu.ru/ru/post/21429 (дата обращения 04.03.2025).

53. Можно ли увидеть черную дыру в телескоп? URL: https://aif.ru/dontknows/eternal/mozhno_li_uvidet_chernuyu_dyru_v_teleskop (дата обращения 04.03.2025).

54. Тени от черных дыр помогут уточнить модели эволюции Вселенной URL: https://xn--80afdrjqf7b.xn--p1ai/news/ (дата обращения 04.03.2025).

55. Jillian Bellovary Where are the Intermediate Mass Black Holes? // Astro2020 Science White Paper. URL: https://lisa.nasa.gov/downloads/forScientists/whitePapers/Where_IMBHs.pdf (дата обращения 16.03.2025).

56. Астрономы нашли первую "промежуточную" черную дыру в Млечном Пути. URL: https://ria.ru/20170208/1487477915.html (дата обращения 16.03.2025).

57. Bülent Kızıltan, Holger Baumgardt & Abraham Loeb. An intermediate-mass black hole in the centre of the globular cluster 47 Tucanae // Nature URL: https://www.nature.com/articles/nature21361 (дата обращения 16.03.2025).

58. Недалеко от Земли нашли «звездную» черную дыру — рекордную по массе в нашей Галактике // URL: https://naked-science.ru/article/astronomy/most-massive-bh-in-galaxy (дата обращения 16.03.2025).

59. Нобелевские лауреаты по физике за 2020 год //РИА Новости. URL: https://ria.ru/20201006/laureaty-1578447818.html (дата обращения 23.03.2025).

Приложение 1

Вопросы анкеты

Приложение 2

Разработанные информационные карточки и конверт

Приложение 3

НИИ и кафедры, занимающиеся исследованиями черных дыр в России

Источник: составлено автором по материалам Википедии

Приложение 4

Популярные научные журналы и сайты по астрофизике и астрономии.