V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Чёрные дыры
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
«Черные дыры не так черны, как их малюют. Это не вечные тюрьмы, как раньше считали. Из них есть выход и, возможно, он даже ведет в другую Вселенную. Поэтому если вам кажется, что вы находитесь в черной дыре, не сдавайтесь. Оттуда есть выход».
Стивен Хокинг [1]
Черные дыры являются, пожалуй, столь же малоизученными сколь и популярными объектами во Вселенной. Многие писатели фантасты используют образ черный дыры как огромного «пылесоса» в глубинах Вселенной, стремящегося поглотить все что находится поблизости. Давайте же попробуем взглянуть на черную дыру с научной точки зрения. [2]
Цель работы: сформировать представление о чёрных дырах и высказать свою теорию об этом феномене.
Задачи:
1. Собрать материал о чёрных дырах;
2. Сделать подробный анализ полученной информации;
Объект исследования: литература и другие ресурсы о чёрных дырах.
Предмет исследования: научные теории о возникновении чёрных дыр.
Методы: использование Интернет-ресурсов.
Практическая значимость данной работы заключается в том, чтобы собранный материал использовать в учебных целях на уроках астрономии и во внеклассных занятиях по этому предмету.
1. Чёрные дыры и их история
Чёрные дыры – области космического пространства, в которых гравитационное притяжение настолько велико, что ни вещество, ни излучение не могут их покинуть. Черная дыра отделена от остального пространства «горизонтом событий» ‒ поверхностью, на которой вторая космическая скорость равна скорости света. Поскольку в природе ничто не может двигаться с большей скоростью, никакой носитель информации не может выйти из-под горизонта событий (часто его называют «поверхностью черной дыры»). Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие «под поверхностью» черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. В то же время, вещество и излучение, падающее снаружи на черную дыру, может свободно проникать через горизонт событий. Черная дыра все поглощает, но ничего не выпускает. Название было предложено в 1968 году американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером. [4]
Теоретически черная дыра может иметь любую массу (M). При этом ее размер (rg ‒ «гравитационный радиус», то есть радиус горизонта событий) определяется условием равенства на нем второй космической скорости и скорости света (с): GM/rg = c2, где G = 6,67·10-11 Н м2/кг2, гравитационная постоянная. Отсюда rg = 2GM/c2. Например, для Солнца (M = 2·1030кг) получается rg= 3 км, а для Земли (M = 61024 кг) получается rg=1 см. Вблизи черной дыры напряженность гравитационного поля так велика, что все физические процессы можно описывать только с помощью релятивистской теории тяготения — общей теории относительности Эйнштейна. Однако формулу для rg получили, используя классическую ньютоновскую физику, и по случайности она совпадает с результатом релятивистского расчета. Создать черную дыру в условиях лаборатории не удастся: при любых разумных массах (даже в миллионы тонн) ее размер должен быть меньше, чем у протона или нейтрона. Поэтому свойства черных дыр изучаются теоретически. Расчеты показывают, что некоторые звезды в конце своей жизни могут сжиматься (коллапсировать) и превращаться в черные дыры. [4]
В 1783 году британский геолог и астроном Джон Мичелл (1724-1793) предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Простой расчет позволил французскому математику и астроному Пьеру Симону Лапласу высказать в своей книге «Система мира» (1796) следующую мысль: «Светящаяся звезда с плотностью равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше 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. Поскольку астрономические измерения показали, что массы реальных звезд близки к солнечной, идея Мичелла и Лапласа о черных дырах была забыта. [4]
В 1916 году немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений созданной Эйнштейном теории гравитации. Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особенностью на расстоянии rg от нее; поэтому величину rg называют «шварцшильдовским радиусом», а соответствующую поверхность (горизонт событий) – шварцшильдовской поверхностью. В первой половине 20 века усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования черные дыры не рассматривались. [4]
В 1930-х годах, после создания квантовой механики и открытия нейтрона, физики исследовали возможность формирования компактных объектов ‒ белых карликов и нейтронных звезд ‒ как продуктов эволюции нормальных звезд. Оказалось, что такие объекты могут существовать при умеренной начальной массе звезды. В 1939 году американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер обосновали вывод, что ядро массивной звезды должно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого (если он не вращается) описываются решением Шварцшильда. Поскольку такой, как говорили тогда, «коллапсар» или «застывшая звезда» не излучает электромагнитных волн, астрономы понимали, что обнаружить ее в космосе маловероятно. [4]
2. Поиск черных дыр
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 невидимых массивных спутников в двойных звездах не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры весьма 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 на короткое время источником рентгеновского излучения. [4]
Поскольку в двойной системе черная дыра в паре с нормальной звездой обращается вокруг общего центра массы, астрономам удается, измеряя скорость звезды, определить массу ее невидимого компаньона и доказать, что это действительно черная дыра. Теория эволюции звезд показывает, что если масса сжимающегося ядра звезды превосходит 3M, то ничто не может остановить его коллапс и превращение в черную дыру. Астрономы выявили уже более дюжины двойных систем, где масса невидимого компаньона превосходит 3M, и заметили у них проявления активности вещества, падающего в черную дыру, например, очень быстрые колебания блеска, характерные для горячего газа, стремительно вращающегося вокруг компактного объекта. Особенно перспективной считают рентгеновскую двойную звезду V404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее, чем в 6M. Другие кандидаты в черные дыры находятся в двойных 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 находится в близкой к нам галактике Большое Магелланово Облако. [4]
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 100 млн M. [4]
Вполне вероятно, что самые мощные процессы энерговыделения во Вселенной происходят с участием черных дыр. Именно они считаются источником активности в ядрах квазаров ‒ молодых массивных галактик. Именно их рождение, как полагают астрофизики, знаменуется самыми мощными взрывами во Вселенной, проявляющимися как гамма-всплески. [4]
3. Особенности черных дыр
Прежде всего, нужно отметить, что черные дыры не берутся из ниоткуда, они образуются из звезд, которые имеют гигантские размеры и массу. Кроме того, самой большой особенностью и уникальностью каждой черной дыры является то, что они обладают очень сильным гравитационным притяжением. Сила притяжения объектов к черной дыре превышает вторую космическую скорость. Такие показатели гравитации говорят о том, что с поля действия черной дыры не могут вырваться даже лучи света, поскольку они обладают значительно меньшей скоростью. [5]
Особенностью притяжения можно назвать то, что оно притягивает все объекты, которые находятся в непосредственной близости. Чем больше объект, который проходит в близости черной дыры, тем большего влияния и притягивания он получит. Соответственно можно сделать вывод, что чем больше объект, тем сильнее его притягивает черная дыра, а для того, чтобы избежать подобного влияния космическое тело должно обладать очень высокими скоростными показателями передвижения. [5]
Обращаясь к теории относительности, можно сделать вывод, что все объекты с сильной гравитацией могут влиять на искривление времени и пространства. Кроме того, чем больше масса тела, тем и искажение будет сильнее. Так, совсем недавно ученым удалось увидеть это на практике, когда можно было созерцать другие объекты, которые должны были быть недоступны нашему взору из-за огромных космических тел таких, как галактики или черные дыры. Все это возможно за счет того, что проходящие рядом от черной дыры или другого тела световые лучи очень сильно изгибаются под влиянием их гравитации. Такой тип искажения позволяет ученым заглянуть значительно дальше в космическое пространство. Но при таких исследованиях очень сложно определить реальное местонахождение исследуемого тела. [5]
Черные дыры не появляются из ниоткуда, они образовываются в результате взрыва сверхмассивных звезд. Причем для того чтобы сформировалась черная дыра, масса взорванной звезды должна быть как минимум в десять раз больше, чем масса Солнца. Каждая звезда существует за счет термоядерных реакций, которые проходят внутри звезды. При этом выделяется сплав водорода в процессе синтеза, но и он не может покинуть зону действия звезды, поскольку ее гравитация притягивает водород обратно. Весь этот процесс и позволяет существовать звездам. Синтез водорода и гравитация звезды – достаточно отлаженные механизмы, но нарушение этого баланса может привести к взрыву звезды. В большинстве случаев к нему приводят исчерпания ядерного топлива. [5]
В зависимости от массы звезды возможны несколько сценариев их развития после взрыва. Так, массивные звезды образуют поле взрыва сверхновой звезды, причем большинство из них так и остаются позади ядра бывшей звезды, такие объекты астронавты называют Белыми Карликами. В большинстве случаев вокруг этих тел образуется газовое облако, которое удерживается гравитацией этого карлика. Возможен и иной путь развития сверхмассивных звезд, при котором полученная черная дыра будет очень сильно притягивать всю материю звезды к ее центру, что приведет к сильному ее сжатию.
Такие сжатые тела именуются как нейтронные звезды. В самых редких случаях после взрыва звезды возможно образование черной дыры в принятом нами понимании данного явления. Но чтобы была создана дыра, масса звезды должна быть просто гигантской. В этом случае при нарушении баланса ядерных реакций гравитация звезды просто сходит с ума. При этом она начинает активно коллапсировать, после чего становится только точкой в пространстве. Другими словами, можно сказать, что звезда как физический объект перестает существовать. Несмотря на то, что она исчезает, за ней образуется черная дыра с теми же показателями силы тяжести и массой. [5]
Именно коллапсирование звезд и приводит к тому, что они полностью исчезают, а на их месте формируется черная дыра с теми же физическими свойствами, как и исчезнувшая звезда. Отличием становится только большая степень сжатия дыры, чем был объем звезды. Самой главной особенностью всех черных дыр является их сингулярность, которая и определяет ее центр. Эта область противостоит всем законам физики, материи и пространства, которые перестают существовать. Для осознания понятия сингулярности можно сказать, что это барьер, который называют горизонтом космических событий. Также она является внешней границей действия черной дыры. Сингулярность можно назвать точкой невозврата, поскольку именно там начинает действовать гигантская сила тяготения дыры. Даже свет, который пересекает этот барьер, не в силах вырваться. [5]
Горизонт событий обладает таким притягивающим эффектом, который притягивает все тела со скоростью света, с приближением до самой черной дыры скоростные показатели еще больше увеличиваются. Именно поэтому все объекты, попавшие в зону действия этой силы, обречены на то, что их затянет дыра. Нужно отметить, что подобные силы способны видоизменять тело, попавшее в силу действия такого притяжения, после чего они протягиваются в тонкую струну, а потом и вовсе перестают существовать в пространстве. [5]
Расстояние между горизонтом событий и сингулярностью может отличаться, это пространство названо радиусом Шварцшильда. Именно поэтому чем больше размер черной дыры, тем большим будет и радиус действия. К примеру, можно сказать, что черная дыра, которая была бы массой как наше Солнце, имела бы радиус Шварцшильда в три километра. Соответственно большие черные дыры имеют больший радиус действия. [5]
Большинство астрономов склонно считать, что в центре нашей галактики также существует сверхмощная черная дыра. Это утверждение порождает вопрос, сможет ли эта дыра поглотить все в нашей галактике? В действительности это невозможно, поскольку сама дыра имеет такую же массу, как и звезды, потому что она и создана из звезды. Тем более все расчеты ученых не предвещают никаких глобальных событий, связанных с этим объектом. Более того, еще миллиарды лет космические тела нашей галактики будут спокойно вращаться вокруг этой черной дыры без каких-либо изменений. Доказательством существования дыры в центре Млечного Пути может служить зафиксированные учеными рентгеновские волны. А большинство астрономов склонно считать, что черные дыры их активно излучают в огромном количестве. [5]
Достаточно часто в нашей галактике распространены звездные системы, состоящие из двух звезд, одна из которых может становиться черной дырой. В этом варианте черная дыра поглощает все тела на своем пути, при этом материя начинает вращаться вокруг нее, за счет чего формируется так называемый диск ускорения. Особенностью можно назвать то, что она увеличивает скорость вращения и приближается к центру. Именно материя, которая попадает в середину черной дыры, и излучает рентгеновское излучение, а сама материя при этом разрушается.
Делая вывод из всего вышеуказанного о черных дырах можно сказать, что они не такие уж и опасные явления, конечно же, в случае непосредственной близости они являются самыми мощными из-за силы гравитации объектами в космическом пространстве. Поэтому можно сказать, что они особо ничем не отличаются от иных тел, основной их особенностью является сильное гравитационное поле. [5]
Что касается черных дыр, то они не только могут поглощать материю, но они также могут испаряться. Подобное явление было доказано несколько десятилетий тому назад. Это испарение может привести к тому, что черная дыра потеряет всю свою массу, а дальше и вовсе исчезнет. [5]
4. Гипотезы Стивена Хокинга
О природе черных дыр говорят и пишут многие ученые. Знаменитый британский физик Стивен Хокинг пересмотрел свои прежние теории и дал правдоподобное объяснение природе черных дыр. Нынешние представления о черных дырах сформированы на базе общей теории относительности Эйнштейна. Согласно устоявшимся представлениям, все, что пересекает горизонт событий на краю черной дыры, бесследно исчезает. Даже свет не может избежать такой участи. Собственно, поэтому черные дыры и получили свое название. Ведь они поглощают свет, и мы их не способны увидеть. [3]
Стивен Хокинг предположил, что есть нечто, способное «убежать» от черной дыры благодаря законам квантовой механики. Это нечто – радиация. Когда черная дыра «заглатывает» одну половину пары частица-античастица, то другая половина возвращается обратно в космос в виде радиационной частицы, унося с собой небольшую частицу энергии черной дыры. [3]
Проблема заключается в том, что согласно подсчетам Хокинга, радиация не может содержать никакой ценной информации о том, что «заглатывала» черная дыра за время своего существования. Иными словами, вся информация теряется навсегда. В теории все процессы во Вселенной должны выглядеть одинаково вне зависимости от того, движется ли время вперед или назад.
Точно так же и Вселенная помнит о том, что одна из частиц состояла из материи, а вторая – из антиматерии. «Частицы могут быть разрушены, но информация о них – об их основных физических атрибутах – должна существовать всегда», – поясняет астрофизик Деннис Овербай. [3]
Черные дыры вступают в противоречие с этой основополагающей теорией квантовой механики, ведь принято считать, что они начисто уничтожают любую информацию. Это противоречие является проблемой не только для астрофизики, но и для физики в целом. Хокинг попытался найти решение проблемы.
Вокруг черной дыры может существовать некое гало – свечение из мягких «волос», которые способны хранить информацию, предполагает Хокинг. На них записана информация о том, что проходило сквозь горизонт событий, а затем исчезало. Хокинг считает, что все, что падает в черную дыру, оказывается в другом пространстве. При этом, Хокинг убежден, что черные дыры представляют собой билет в один конец. Вернуться в нашу Вселенную через черную дыру не получится. [3]
Заключение
Мы сформировали у учащихся представление о черных дырах, что это область пространства‒времени, гравитационное притяжение которое настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Границы этой области называются горизонтом событий, а её характерный размер – гравитационным радиусом.
Мы выдвинули гипотезу, что в будущем, если люди научатся использовать черные дыры себе на благо, смогут переписать все законы мироздания, то есть человечество сможет исправлять ошибки прошлого, мгновенно перемещаться в пространстве и не бояться смерти от старости.
Список использованных источников и литературы
Десять умных, проницательных и смешных цитат Стивена Хокинга о чёрных дырах, IQ и инвестициях [Электронный ресурс] – Режим доступа // http://www.forbes.ru/tehnologii/358675-desyat-umnyh-pronicatelnyh-i-smeshnyh-citat-stivena-hokinga-o-chernyh-dyrah-iq-i (дата обращения: 23.03.2018).
Карневский М. Чёрные дыры [Электронный ресурс] – Режим доступа // http://www.astrotime.ru/black_hole.html (дата обращения: 23.03.2018).
Стивен Хокинг выяснил, куда ведут чёрные дыры [Электронный ресурс] – Режим доступа // http://qbici.ru/kosmos/stiven-xoking-vyyasnil-kuda-vedut-chernye-dyry/ (дата обращения: 23.03.2018).
Сурдин, В.Г. Чёрные дыры [Электронный ресурс] / В.Г. Сурдин. – Режим доступа // http://megabook.ru/article/Черные%20дыры (дата обращения: 23.03.2018).
Чёрные дыры [Электронный ресурс] – Режим доступа // http://kvant.space/chernye-dyry (дата обращения: 23.03.2018).
Приложение
Пьер Симон Лаплас Карл Шварцшильд
Альберт Эйнштейн
Джон Арчибальд Уилер Роберт Оппенгеймер
Стивен Хокинг