VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Излучение черных дыр
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
В космосе большое количество странных и загадочных объектов. Одними из таких объектов являются черные дыры. Их изучение является очень важным для человечества так, как они могут являться ключом к путешествиям во времени и пространстве, к параллельным вселенным, и указывать на то, как вселенная появилась, и как она закончит свое существование, и закончит ли она его вообще.
Объект исследования: черные дыры
Цель исследования: нахождение возможности излучения света с горизонта событий черной дыры.
2.Черные дыры
Черная дыра – это область пространства-времени, из которой ничто не может выбраться наружу из-за чрезвычайно сильного действия гравитации. Граница этой область – горизонт событий. Его характерный размер – гравитационный радиус. Горизонт событий образован световыми лучами, которые были на грани ухода от черной дыры во время коллапса, но уже не смогли выбраться и зависли на постоянном расстоянии от центра. Энергия фотонов образующих горизонт событий должна упасть до минимально возможной из-за воздействия гравитации так, чтобы не противоречить слабому принципу космической цензуры. Важной для понимания черных дыр является теорема «отсутствии волос» у чёрной дыры, которая гласит, что черные дыры могут обладать лишь тремя характеристиками: массой, моментом импульса и зарядом,которые складываются из соответствующих характеристик вошедших в чёрную дыру при коллапсе и упавших в неё позднее тел и излучений. Остальная информация теряется в черной дыре. В центре черной дыры расположена сингулярность – точка пространства-времени, в которой его кривизна становится бесконечной.
Существуют четыре решения уравнений Эйнштейна для чёрных дыр с этими характеристиками:
1) Решение Шварцшильда — статичное решение для сферически-симметричной чёрной дыры без вращения и без электрического заряда.
2) Решение Рейснера — Нордстрёма — статичное решение сферически-симметричной чёрной дыры с зарядом, но без вращения.
3) Решение Керра — стационарное, осесимметричное решение для вращающейся чёрной дыры, но без заряда.
4) Решение Керра — Ньюмена —стационарное и осесимметричное решение, зависящее от всех трёх параметров.
3.Излучение Хоккинга
Излучение Хокинга — гипотетический процесс излучения черной дырой элементарных частиц. Квантовая теория поля гласит, что поля не могут быть в точности нулевыми, даже в вакууме. Если бы они оказались нулевыми, то обладали бы точной величиной или положением, равным нулю, и точно известным темпом изменения или скоростью, тоже равной нулю. Это было бы нарушением принципа неопределенности. Все поля должны испытывать вакуумные флуктуации. В данном случае можно рассматривать флуктуации вакуума как появление пар виртуальных частиц, которые возникают вместе в некоторой точке пространства-времени, разлетаются, а затем сходятся и аннигилируют друг с другом. В присутствии черной дыры одна из частиц пары может упасть в черную дыру, в то время как другая свободно уйдет на бесконечность.
Из закона сохранения энергии следует, что такая «упавшая» за горизонт событий частица из рождённой виртуальной пары должна обладать отрицательной энергией, так как улетевшая частица, доступная для удалённого наблюдателя, обладает положительной энергией.
Таким образом из-за падения в черную дыру частицы с отрицательной массой ее масса будет уменьшаться. Излучение имеет тепловой спектр и это значит, что черной дыре можно приписать температуру T = ħc³/8πkGm
4.Механизм покидания фотонами горизонта событий
Рассмотрим небольшую Шварцшильдовскую черную дыру, на которую не падает вещество.
Горизонт событий образован световыми лучами, которые были на грани ухода от черной дыры, но уже не смогли выбраться и зависли на постоянном расстоянии от центра. В пространстве должна существовать граница – гравитационный горизонт. Именно на этом горизонте скорость убегания становится равной скорости света. Фотон обладает определенной протяженностью в пространстве и так, как фотон неделим то если лишь часть фотона будет располагаться под гравитационным горизонтом, а другая будет снаружи то такой фотон не сможет покинуть черную дыру.
Кривая – гравитационный горизонт, слева от нее находится черная дыра, а справа обычное пространство. Однако если черная дыра теряет массу из-за излучения Хокинга, то гравитационный радиус такой черной дыры уменьшается.
В начальный момент времени (Т1) оба фотона находятся на горизонте событий. При уменьшении массы черной дыры горизонт событий смещается в Т2. В таком случае один из фотонов остается на горизонте событий, а второй покидает черную дыру и улетает на бесконечность так, как он больше не находится под горизонтом событий.
На первый взгляд может показаться что все фотоны, находящиеся на горизонте событий скоро покидают черную дыру. Однако, если учитывать то, что вероятность нахождения фотона распределена по всей черной дыре становится ясно, что они будут покидать черную дыру на протяжении всего времени ее существования. Таким образом при уменьшении массы черной дыры она будет испускать излучение. И так, как энергия фотонов должна быть минимальной, то будет происходить излучение фотонов с очень большой длиной волны.
5.Наблюдения
При слиянии черные дыры очень быстро теряют массу из-за того, что в этот момент они генерируют гравитационные волны.
Следствием этого является то, что черные дыры должны испускать достаточно сильное излучение при слиянии. Если незадолго до слияния хотя бы одна из черных дыр поглощала вещество, то излучение может происходить не только в радиодиапазоне, но и в других диапазонах электромагнитного излучения. Это можно подтвердить следующими наблюдениями. После первого обнаружения гравитационных волн Fermi Gamma-ray Burst Monitor заявил, что зафиксировал всплеск высокой энергии, совпадающей со временем сигнала гравитационной волны. Однако, спутник ЕКА не только не смог подтвердить результаты Ферми, но и ученые, работающие там, обнаружили недостаток в анализе Fermi своих данных. Второе слияние не продемонстрировало таких намеков на электромагнитные сигналы: черные дыры имели значительно меньшую массу, поэтому любой сигнал, который они бы выдали, был бы соответственно ниже по величине. Но третье слияние тоже было большим по массе, больше сопоставимым с первым, нежели со вторым. Хотя Fermi ничего не сказал, а спутник Integral ЕКА также промолчал, было два намека на то, что электромагнитное излучение могло иметь место. Спутник AGILE Итальянского космического агентства зафиксировал слабую, недолго живущую вспышку, которая произошла за полсекунды до слияния на LIGO, а рентгеновские, радио- и оптические наблюдения в сумме идентифицировали странно.
6.Заключение
Таким образом черные дыры должны излучать в основном в радиодиапазоне. Излучение может происходить и в других диапазонах если черная дыра быстро теряет массу. Наиболее мощные всплески излучения должны происходить при сиянии черных дыр. Эти всплески могут быть зафиксированы спутниками, однако на данный момент было проведено слишком мало наблюдений за электромагнитными всплесками сливающихся черных дыр.
7.Литература
Hawking S. W. «Black hole explosions?»
Стивен Хокинг «Краткая история времени»
Стивен Хокинг «Мир в ореховой скорлупке»
Ульрих Вальтер: «В черной дыре такое творится! Астронавт объясняет Вселенную»
Ч.Мизнер, К.Торн, Дж.Уилер. «Гравитация»
Хокинг, Пенроуз: «Природа пространства и времени»