VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Загадочные черные дыры
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Меня зовут Саша. Я учусь во 2 классе. Когда я еще ходил в детский сад, папа познакомил меня с серией художественных фильмов «Звездные войны». И с того момента я начал интересоваться космосом, космическими кораблями. Так получилось, что летом во время каникул мы всей семьей были в Москве. И конечно я не мог не пойти в Московский Планетарий. Там мы посетили очень интересную образовательную программу «Черные дыры: обратная сторона Вселенной». На куполе (между прочим самом большом куполе Европы) с помощью полнокупольной цифровой проекционной системы и оптико-волоконного проектора звездного неба нам показали всю красоту нашей Вселенной. Конечно же и Вселенная, и галактика Млечный путь (где и располагается наша Солнечная система), показанные нам — это представления ученых о том, как выглядит космос, так как мы еще не можем вылететь за пределы Солнечной системы и увидеть его в живую. И, как оказалось, в нашей Вселенной есть такое явление как черные дыры. Думаю, что это — самая загадочная и интересная часть космоса! Своими глазами ее конечно не увидишь, но ученые-теоретики спорят о ее существовании уже более 200 лет.
Тема проекта: «Загадочные черные дыры».
Объект проекта: черные дыры.
Предмет проекта: свойства и строение черных дыр.
Гипотеза проекта: вероятно, черные дыры существуют в каждой галактике.
Цель проекта: создать наглядный макет галактики Млечный путь и схематическое изображение черной дыры.
Задачи проекта: 1) изучить историю изучения существования черных дыр; 2) выяснить из источников литературы и интернета, что представляют из себя черные дыры и изучить их свойства; 3) создать в виде комикса небольшой рассказ о том, что будет, если человек попадет в черную дыру.
1. История изучения понятия «Черная дыра»
Термин «черная дыра» появился совсем недавно. Он был придуман в 1969 г. американским ученым Джоном Уилером. А сама идея появилась более 200 лет назад. В те времена существовало две теории о природе света. В одной из них говорилось, что свет состоит из частиц, а в другой — из волн. В настоящее время мы знаем, что верны обе теории.
В 1783 г. кембриджский преподаватель Джон Мичелл опубликовал в журнале «Философские труды Лондонского королевского общества» статью, посвященную гипотезе о свете как о скоплении частиц. В этой статье он обратил внимание на то, что достаточно массивная и компактная звезда должна обладать настолько сильным гравитационным полем, что свет не может его преодолеть. Свет, излучаемый с поверхности звезды, не может преодолеть гравитационное притяжение звезды и удалиться от нее на значительное расстояние. Мичелл предположил, что таких звезд может быть много. Мы не можем их увидеть, поскольку их свет не достигает нас, однако мы можем «почувствовать» их гравитационное притяжение. Сейчас мы называем такие объекты черными дырами, и это название очень точно отражает их суть, поскольку это черные пустоты в космическом пространстве.
Несколько лет спустя такую же гипотезу высказал французский ученый маркиз де Лаплас. Примечательно, что он включил ее только в первое и второе издания своей книги «Изложение системы мира» и исключил из последующих изданий, видимо, сочтя эту идею слишком безумной.
Последовательной теории воздействия гравитации на свет не существовало до тех пор, пока Альберт Эйнштейн не представил в 1915 г. свою общую теорию относительности. И даже после этого прошло еще немало времени до того, как были сформулированы выводы этой теории для массивных звезд.
В 1928 г. индийский аспирант Субраманьян Чандрасекар отплыл в Англию, чтобы обучаться в Кэмбридже у британского астронома сэра Артура Эддингтона, который был специалистом по общей теории относительности. Чандрасекар рассчитал, что холодная звезда, масса которой больше порядка полутора масс Солнца, не может сопротивляться собственной гравитации. Эта масса получила название предел Чандрасекара. Этот вывод имеет огромное значение для судьбы массивных звезд. Если масса звезды меньше предела Чандрасекара, в какой-то момент она может перестать сжиматься и перейти в возможную финальную фазу, то есть стать белым карликом с радиусом в несколько тысяч километров и плотностью около сотен тонн в кубическом сантиметре. Звезды, массы которых превышают предел Чандрасекара могут взорваться, или им удастся сбросить достаточно вещества, чтобы их масса стала меньше предельного значения. Но большинство ученых, в том числе и Эддингтон, и Эйнштейн посчитали, что звезда не может сжиматься до размеров точки.
В 1932 году в одном из научных журналов появляется статья, в которой гениальный физик из СССР Лев Ландау предположил, что при коллапсе сверхмассивная звезда сжимается в точку с бесконечно малым радиусом и бесконечной массой. Несмотря на то, что такое событие весьма сложно представить с точки зрения неподготовленного человека, Ландау был недалек от истины. Также физик предположил, что согласно теории относительности, гравитация в такой точке будет столь велика, что начнет искажать пространство-время.
В 1960-х гг. на основе работ американского ученого Роберта Оппенгеймера начала развиваться теория о том, что, когда звезда сжимается до определенного критического радиуса, гравитационное поле на ее поверхности становится настолько сильным, что отклонение световых конусов достигает той степени, которая уже не позволяет свету ускользнуть от звезды. Таким образом, если даже свет не может ускользнуть от звезды, значит, и ничто другое не может. В это же время учеными Роджером Пенроузом и Стивеном Хокингом проделана работа, которая показала, что согласно общей теории относительности внутри черной дыры должна находиться сингулярность с бесконечной плотностью. В этой сингулярности нарушаются все законы физики.
В 1967 г. Вемер Израэль показал, что любая невращающаяся черная дыра должна иметь идеально круглую или сферическую форму.
С помощью телескопов астрофизикам удалось обнаружить неизвестные до того момента объекты на звездном небе, которые вели себя совсем странно несмотря на то, что выглядели, как обычные звезды. Изучая эти странные светила, американский ученый Мартин Шмидт обратил внимание на их спектрографию. Наблюдаемый Шмидтом объект был расположен в двух с половиной миллиардах световых лет от нашей планеты, но светил так же ярко, как и звезда в каких-нибудь сотне световых лет от нас. Мартин Шмидт продолжил изучение новых объектов и выяснил, что столь яркое свечение может быть вызвано только по одной причине – аккреции. Аккреция – это процесс поглощения сверхмассивным телом окружающей материи с помощью гравитации. Ученый пришел к выводу, что в центре квазаров находится огромная черная дыра, которая с невероятной силой втягивает в себя окружающую ее в пространстве материю. В процессе поглощения дырой материи, частицы разгоняются до огромных скоростей и начинают светиться. Своеобразный светящийся купол вокруг черной дыры называется аккреационным диском.
На сегодняшний день ученые нашли на звездном небе уже тысячи квазаров. Эти странные невероятно яркие объекты называют маяками Вселенной. Они позволяют нам чуть лучше представить устройство космоса и ближе подойти к моменту, с которого все началось.
К сожалению, технологии человечества на данном этапе развития не позволяют нам проверить большинство теорий, разработанных астрофизиками и другими учеными. С одной стороны, существование черных дыр довольно убедительно доказано на бумаге и выведено с помощью формул, в которых все сошлось с каждой переменной. С другой, на практике нам пока не удалось увидеть воочию настоящую черную дыру. Несмотря на все разногласия, физики предполагают, что в центре каждой из галактик находится сверхмассивная черная дыра, которая собирает своей гравитацией звезды в скопления и заставляет путешествовать по Вселенной большой и дружной компанией. В нашей галактике Млечный путь по разным оценкам насчитывается от 200 до 400 миллиардов звезд. Все эти звезды вращаются вокруг чего-то, что обладает огромной массой, вокруг чего-то, что мы не можем увидеть в телескоп.
2. Строение черной дыры
Черные дыры состоят из трех основных частей. Внешний слой черной дыры называется внешним горизонтом событий. Внутри внешнего горизонта событий еще можно вырваться от гравитации черной дыры, потому что сила тяжести здесь не так сильна.
Средний слой черной дыры называется внутренним горизонтом событий. Сила тяжести (гравитация) в этом слое намного сильнее и не отпускает объекты, которые она захватывает.
Центр черной дыры называется сингулярность. Сингулярность — это место, где гравитация самая сильная.
3. Свойства черной дыры
Основное свойство черно дыры – это ее невероятные гравитационные поля, не позволяющие окружающему пространству и времени оставаться в своем привычном состоянии. Время внутри черной дыры протекает в разы медленнее чем обычно, и окажись там, то вернувшись обратно с удивлением можно было бы заметить, что на Земле уже прошли века. Хотя, окажись внутри черной дыры вряд ли можно было бы выжить, так как сила гравитации там такая, что любой материальный объект просто разорвала бы даже не на части, на атомы.
А вот окажись даже поблизости черной дыры, в пределах действия ее гравитационного поля, то тоже пришлось бы не сладко, так как, чем сильнее сила сопротивления ее гравитации, тем быстрее вероятность упасть в нее. Причинной этому, казалось бы, парадоксу является гравитационное вихревое поле, которым обладают все черные дыры.
4. Виды черных дыр
Согласно существующей теории, есть три типа черных дыр: звездные, сверхмассивные, миниатюрные. И каждая из них сформировалась особым образом.
Черные дыры звездных масс. Звезда разрастается до огромных размеров и разрушается.
Сверхмассивные черные дыры, которые могут иметь массу, равную миллионам Солнц, с большой вероятностью существуют в центрах практически всех галактик, включая наш Млечный путь. Ученые все еще имеют разные гипотезы образования сверхмассивных черных дыр. Пока известно только одно — сверхмассивные черные дыры — побочный продукт образования галактик. Сверхмассивные черные дыры — они отличаются от обычных тем, что имеют очень большой размер, но парадоксально маленькую плотность.
Еще никто не смог обнаружить миниатюрную черную дыру, которая имела бы массу меньшую, чем Солнце. Вполне возможно, что миниатюрные дыры могли бы образоваться вскоре после «Большого взрыва», который является начальной точной существования нашей вселенной (около 13,7 млрд лет назад).
Совсем недавно было введено новое понятие как "белые черные дыры". Это пока гипотетическая черня дыра, которая является противоположностью черной дыре. Активно изучал возможность существования белых дыр Стивен Хокинг.
Квантовые черные дыры - они существуют пока только в теории. Квантовые черные дыры могут образовываться при столкновении сверхмалых частиц в результате ядерной реакции.
5. Что будет, если человек попадет в черную дыру?
Допустим, что когда-нибудь люди будут свободно перемещаться в космосе на расстоянии от своих космических кораблей. Тогда может возникнуть ситуация, когда человек неожиданно приблизится к черной дыре. Что же тогда с ним может произойти? Одним из вариантов может быть полное уничтожение тела человека. У человека, который падает вниз ногами в черную дыру, голова будет притягиваться к черной дыре слабее, чем ноги. Причем настолько слабее, что просто в конце концов голову оторвет, как и все остальное. Также в поперечном направлении туловище будет сжиматься все больше и больше при приближении к сингулярности. То есть человек уже попал под горизонт событий, все еще продолжает лететь к сингулярности, и его разрывает. Но это в случае, если черная дыра у нас самая простейшая — шварцшильдовская.
А, если вдруг встретившаяся ему черная дыра будет заряженная, то ее сингулярность обладает принципиально другими свойствами. Она отталкивает объект. То есть сначала человека затянет в черную дыру. И, после того, как он попадает под горизонт событий, он какое-то время еще продолжит двигаться в том же направлении и ускорится в том же направлении. После этого он попадет под другой внутренний горизонт, и уже под горизонтом тело человека начнет отталкиваться от сингулярности. При этом отталкивание возрастает и возрастает, и в конце концов человек начнет двигаться в направлении другой Вселенной (нельзя сказать «в обратном направлении») и вылетит из белой дыры. Белая дыра является объектом в другой Вселенной, не нашей. Иногда такие тоннели в физике называют кротовыми норами, иногда — черно-белыми дырами.
Но это все только теория!
Выводы
Итак, изучив всю полученную информацию, можно сделать вывод, что черные дыры – совершенно удивительные объекты, не похожие ни на что известное до сих пор, которые присутствуют во всех известных и неизвестных нам галактиках! По крайней мере в теории это уже доказано ни одним ученым. Я узнал, как же много ученых по всему миру занимались вопросом изучения возможности существования черных дыр! Выяснил, как теоретически выглядит черная дыра. С помощью подручных средств сделал макет нашей галактики Млечный путь.
С олнце
Центр галактики (предполагаемая черная дыра)
В виде созданного мною комикса показал, что может случиться с человеком, если он попадет в черную дыру1. И, как мне кажется, я смог заинтересовать этой темой и своих одноклассников. Вдруг кто-нибудь из нас после школы и института продолжит дело великих ученых по изучению космоса и черных дыр, и мы узнаем, что же находится с обратной стороны воронки черной дыры!
Список использованной литературы и интернет-ресурсов
1. Зигуненко С. Почему черная дыра черная? – М.: АСТ, 2017. – 48 с.
2. Хокинг С. Теория всего – М.: АСТ, 2018. – 160 с.
3. Цветков В.И. Космос. Полная энциклопедия – М.: Эксмо, 2017. – 248 с.
4. http://ru.wikipedia.org
Приложение 1
Комикс
1 Приложение 1