Чёрные дыры

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ГУМАНИТАРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра «Естественнонаучные дисциплины»

 

 

 

 

 

Реферат

На тему

Чёрные дыры

 

 

 

 

Выполнила

Студентка ГТР 112

Маргарян М.М.

 

 

Москва 2012г. 

Содержание:

Введение............................................................................................3

Глава 1................................................................................................4

Глава 2................................................................................................6

Глава 3................................................................................................9

Заключение.......................................................................................16

Источники.........................................................................................17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Одними из самых загадочных объектов во вселенной являются черные дыры. Я не случайно выбрал эту тему. Черные дыры являются одновременно очень простыми и очень сложными в понимании. Черная дыра является порождением тяготения.Их тяжело изучать, т.к. они в данный момент времени недосягаемы для нас, но по расчетам математиков о них можно судить. Даже изучение этих объектов на расстоянии давалось с трудом (пока на орбиту не взошли рентгеновские обсерватории). Ведь свет не может покинуть горизонт событий черной дыры, поэтому об их существовании можно было судить только по мощному воздействию на окружающую материю. Поэтому в видимом спектре излучения такие объекты обнаружить нельзя. Это были сложности черных дыр. К простым чертам этих объектов можно отнести то что они не имеют химического состава и описываются только математическими законами гравитации Эйнштейна. Удивительно, но такие экзотические объекты устроены даже проще чем звезды. Поверхности, в нашем понимании, у нее нету. Характеризуются эти объекты в первую очередь массой, во вторую – моментом количества движения, в третью – электрическим зарядом. Сам термин “черная дыра” был введен в науку Джоном Уилером в 1968г для обозначения сколлапсировавшейся звезды. Еще Пьер Симон Лаплас в свое время уже догадывался о возможности существования таких объектов. Он писал: “Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми”. Основываясь только на законе тяготения Ньютона, Лаплас приходит к открытию того, что тела с огромной массой и повышенной плотностью не позволят излучению покидать их поверхность. Это было предвидением черных дыр. Однако реальные характеристики черных дыр отличны от лапласовских, такопределяются теорией относительности Эйнштейна, уточняющей теорию Ньютона.

 

 

 

 

 

 

Глава 1

Что из себя представляют Чёрные Дыры.

     Одним из самых парадоксальных объектов, находящихся в космосе, - являются так называемые "черные дыры", или коллапсары - тела бесконечно большой плотности. Сущность данного парадокса заключается в том, что интенсивность гравитационного взаимодействия тел определяется их массой, все же другие известные виды их взаимодействия от массы не зависят. Это означает, что если количество частиц вещества в некоторой области пространства превысит определенное критическое значение, то гравитационные силы будут превалировать над всеми другими, а вследствие того, что гравитационные силы являются всегда силами притяжения, данное тело будет сжиматься. После того как открыли нейтроны, это помогло узнать конечную судьбу тяжелых звезд: огромное тяготение "вдавливает" свободные электроны в протоны, и возникают электрически нейтральные частицы - нейтроны. Рождается нейтронная звезда, вещество которой имеет невероятную плотность. Кусочек такой материи размером с кубик пиленого сахара весит один миллиард тонн, а нейтронная песчинка уравновесила бы мощный электровоз. Поскольку же пространство-время в общей теории относительности предполагается непрерывным, то этому сжатию нельзя положить никакого обоснованного предела. В итоге, согласно данной теории получается, что такое тело должно сжаться в точку, при этом интенсивность гравитационных полей вблизи него возрастает до бесконечности, а пространство искривится настолько, что полностью замкнется, скорость же, необходимая для того чтобы покинуть пределы этого скопления, может сколь угодно превысить скорость света, а значит, ни одна частица вещества и ни один квант излучения не сможет уже этого сделать, то есть образуется объект, способный поглощать в себя любое количество любой материи и ничего не выпускать обратно.Так, любое тело, упавшее на поверхность такого объекта, будет действительно поглощено им безвозвратно вследствие того, что составляющие это тело барионы-вакансии под действием мощных сил тяготения сольются с пузырем, в результате чего тело потеряет всякую индивидуальность и обособленность.

Все чёрные дыры притягивают  газ из окружающего пространства, и вначале он собирается в диск возле нее. От столкновений частиц газ  разогревается, теряет энергию, скорость и начинает по спирали приближаться к черной дыре. Газ, нагретый до нескольких миллионов градусов, образует вихрь, имеющий форму воронки. Его частицы мчатся со скоростью 100 тысяч километров в секунду. В конце концов вихрь газа доходит до "горизонта событий" и навечно исчезает в черной дыре. Поскольку же минимальная скорость, необходимая для того чтобы уйти от этой "дыры", будет меньше скорости света, то любой предмет, не упавший непосредственно на ее поверхность, будет иметь шанс покинуть ее пределы. При падении вещества на поверхность черной дыры, должно возникать рентгеновское излучение вследствие большой интенсивности гравитационных полей вокруг него.

В 1997 году удалось доказать, что  некоторые черные дыры вращаются, вовлекая в это движение и окружающее их пространство. "До сих пор мы умели  узнавать лишь массу черной звезды, теперь можем определять ее вращательный импульс", - с гордостью говорит сотрудник Центра НАСА в Хантсвилле Шуанг Нан Цанг.

Черную дыру окружает некая граница, и вся материя, находящаяся внутри нее, непременно будет поглощена  дырой. Размеры границы зависят, в частности, от скорости вращения черной дыры. Эту скорость можно посчитать, если знать, с какой скоростью движется материя у границы. Расшифровывая информацию, поступающую от спутников, улавливающих рентгеновское излучение, Шуанг Нан Цанг и его коллеги пришли к выводу, что в Млечном Пути находятся 12 черных дыр с массой от трех до тридцати солнечных. Некоторые из этих дыр вращаются очень медленно, другие - вовсе неподвижны. Но две вращаются вокруг своих осей с невероятной скоростью. "Исследуя вращение черной дыры, - пишет астрофизик из Балтимора Марио Ливио, - можно узнать, сколько материи она успела поглотить за свою жизнь и как вращательный импульс связан с выбросом материи в виде осевой струи". Цанг убежден, что эти две быстро вращающиеся дыры, обнаруженные в нашей Галактике, посылают в свои окрестности струи высокоэнергичных частиц. Струи вращаются примерно с той же скоростью, что и сама черная дыра. Точные измерения позволяют определить скорость вращения вихря материи прежде, чем она исчезнет в черной дыре.

Кроме того, ученые обнаружили колебания  интенсивности рентгеновского излучения  у обоих объектов. Эти наблюдения навели в конце 1997 года на след еще  более удивительного феномена: газовые  и пылевые частицы около двух черных дыр, о которых идет речь, подвержены периодическому движению, называемому прецессией. Это значит, что ось вихревого движения частиц не стоит на месте, а в свою очередь вращается вокруг другой оси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2

Как обнаруживали Чёрные дыры.

       Как известно, «черные дыры» нельзя обнаружить непосредственными наблюдениями — их существование устанавливается по тому мощному влиянию, которое они оказывают на другие объекты или по мощному рентгеновскому излучению.

Наблюдения так называемых систем двойных звезд, когда в телескоп видна лишь одна звезда, дают основание считать, что невидимый партнер - черная дыра. Звезды этой пары расположены так близко одна к другой, что невидимая масса "высасывает" вещество видимой звезды и поглощает его. В некоторых случаях удается определить время оборота звезды вокруг ее невидимого партнера и расстояние до невидимки, что позволяет рассчитать скрытую от наблюдения массу. Первый кандидат на такую модель - пара, обнаруженная в начале семидесятых годов. Она находится в созвездии Лебедя  и испускает рентгеновские лучи. Здесь вращаются горячая голубая звезда и, по всей вероятности, черная дыра с массой, равной 16 массам Солнца. Другая пара (V404) имеет невидимую массу в 12 солнечных. Еще одна подозреваемая пара - рентгеновский источник (LMCХ3) в девять солнечных масс находится в Большом Магеллановом Облаке. Все эти случаи хорошо объясняются в рассуждениях Джона Мишелла о "темных звездах". В 1783 году он писал: "Если светящиеся тела вращаются вокруг невидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этого вращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этого центрального тела". Два итальянских астронома, Луиджи Стелла и Марио Виертри, на основе данных, полученных со спутника RXTE, открыли искривление пространства около нейтронной звезды, правда, очень слабое. Уже создается спутник, названный "Gravity Probe В", специально приспособленный для исследования эффектов теории относительности. Его старт планируется на 2000 год.

 

Измерения параметров движений в центральной области нашей Галактики вели с 1992 по 1998 г. сотрудники Института внеземной физики им. Макса Планка в Гаршинге (Германия) под руководством А. Экарта (A.Eckart).Они определяли скорость перемещения 200 звезд с помощью специального спектрометра. Оказалось, что с наибольшей скоростью движутся те звезды, которые расположены поблизости от объекта Стрелец А, который и ранее предположительно относили к числу «черных дыр». У звезд, удаленных от него всего на пять световых суток, скорость обращения вокруг центра превышает 1000 км/с. Вычисления показали, что подобное движение звезд может наблюдаться лишь в том случае, если в ядре Галактики находится объект, масса которого составляет 2.6 млн массы Солнца, а плотность такая, как если бы 2 трлн Солнц «втиснуть» в один кубический световой год! Такими свойствами может обладать только «черная дыра», поглощающая за какие-нибудь несколько миллионов лет всю материю, попадающую в сферу ее влияния. О сходных результатах сообщила на конференции Американского астрономического общества (Вашингтон, 1998) А.М. Гез (A.M. Ghez; Университет штата Калифорния, Беркли). Вместе с коллегами она вела наблюдения в том же инфракрасном диапазоне частот (2 мкм), что и Экарт, но на более мощном 10-метровом Телескопе им. Кека на горе Мауна-Кеа (Гавайские о-ва). Они установили, что звезды, расположенные к центру Галактики вдвое ближе, чем наблюдавшиеся немецкими астрономами, движутся со скоростью 3000 км/с! По мнению Гез, такую скорость звездам может придать лишь «черная дыра» с массой 2.7 млн Солнц. При таких масштабах величин вывода обеих групп можно считать почти идентичными. Итак, в центре нашей Галактики, по всей видимости, так же находится огромная «черная дыра».

Несколько лет назад  группа американских и японских астрономов направила свой телескоп на созвездие Гончих Псов, на находящуюся там спиральную туманность М106. Эта галактика удалена от нас на 20 миллионов световых лет, но ее можно увидеть даже с помощью любительского телескопа. Многие считали, что она такая же, как и тысячи других галактик. При внимательном изучении оказалось, что у туманности М106 есть одна редкая особенность - в ее центральной части существует природный квантовый генератор - мазер. Это газовые облака, в которых молекулы благодаря внешней "накачке" излучают радиоволны в микроволновой области. Мазер помогает точно определить свое местоположение и скорость облака, а в итоге - и других небесных тел. Японский астроном Макото Мионис и его коллеги во время наблюдений туманности М106 обнаружили странное поведение ее космического мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра, удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтриговала астрономов скорость этого вращения: периферийные слои облаков перемещались на четыре миллиона километров в час! Это говорит о том, что в центре сосредоточена гигантская масса. По расчетам она равна 36 миллионам солнечных масс. Астрономы отбросили предположение о том, что такое количество материи может быть очень плотным скоплением звезд, которое мы не видим из-за космической пыли. Звезды, входящие в скопление, должны были бы находиться на очень близком расстоянии одна к другой. При такой "толкучке" они непременно начнут сталкиваться, и звездное скопление довольно быстро "рассыпется". Загадку хоровода облаков ученые объяснили тем, что они наблюдают черную дыру, вернее, то, что происходит в ее окрестностях. Ведь саму черную дыру увидеть нельзя.

Американским астрономам удалось зафиксировать рентгеновское  излучение от супермассивных черных дыр, которые до недавнего времени считались "тихими". Эти дыры существуют в центрах самых старых и самых массивных галактик и имеют массу сравнимую с массой миллиардов Солнц, сжатую до размеров Солнечной системы. В то время, как небольшой процент супермассивных черных дыр излучают мощные рентгеновские потоки (известны как активное галактическое ядро), огромное большинство массивных черных дыр рентгеновским излучением не обладает. Последние наблюдения показали, что "тихие" супермассивные черные дыры также имеют рентгеновское излучение, но гораздо меньшее чем активное галактическое ядро. Новые результаты вселяют надежду, что супермассивные черные дыры присутствуют во всех галактиках, в том числе и нашей, и могут стать ключом в вопросе происхождения Вселенной.

На снимке, сделанном  с помощью нового космического спектрографа Хаббла (Hubble's new Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS)), запечатлен "автограф" сверхмасивной черной дыры, расположенной в центре галактики М84. Несмотря на то, что гравитация не позволяет покинуть окрестность черной дыры даже свету (см. центр снимка), ее присутствие можно обнаружить по падающему по спирали с огромным ускорением на поверхность черной дыры межзвездному веществу, скорость которого, определенная с помощью эффекта Допплера, составляет примерно 380 км/сек на расстоянии 26 световых лет от центра М84, галактики, находящейся в кластере галактик в созвездии Девы в 50 000 000 световых лет от нас. Данные STIS'а показывают, что излучение газа, движущегося в нашем направлении, смещенное в фиолетовую часть спектра (левая часть снимка), справа от центра снимка смещается в красную область (удаляющийся газ), указывая на наличие быстро вращающегося вокруг центра галактики диска вещества. В результате мы видим характерный S-образный росчерк черной дыры, масса которой составляет по меньшей мере 300 000 000 масс Солнца. Вполне вероятно, что в центре всех галактик расположены черные дыры.

 

 

 

 

 

Глава 3

 Гипотезы и парадоксы.

    Общая теория относительности, как известно, предсказала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, проводя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. (Здесь поражает еще и точность измерения, потому что сместились они меньше, чем на одну тысячную градуса!) Астрономы теперь точно знают, что под влиянием "линзы тяготения", которую представляют собой тяжелые звезды и, прежде всего, черные дыры, реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех, что нам видятся с Земли. Далекие галактики могут выглядеть для нас бесформенными и более яркими, чем они есть на самом деле из-за того, что на пути к Земле их свет взаимодействует со множеством "линз тяготения". Иногда луч, проходя мимо тяжелого объекта, расщепляется, и тогда наблюдатель с Земли видит множество изображений одного и того же объекта, или же они сливаются в кольцо. Моделирование на компьютере показало, например, что свечение газового диска, вращающегося вокруг черной дыры, видно и сзади ее "капсулы". Это означает: тяготение столь велико и пространство так закручено, что свет проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за углом. Вообразив совершенно невероятное: некий отважный космонавт решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы познать ее тайны. Что он увидит в этом фантастическом путешествии? По мере приближения к цели часы на космическом корабле будут все больше и больше отставать - это вытекает из теории относительности. На подлете к цели наш путешественник окажется как бы в трубе, кольцом окружающей черную дыру, но ему будет казаться, что он летит по совершенно прямому тоннелю, а вовсе не по кругу. Но космонавта ждет еще более удивительное явление: попав за "горизонт событий" и двигаясь по трубе, он будет видеть свою спину, свой затылок... Общая теория относительности говорит, что понятия "вовне" и "внутри" не имеют объективного смысла, они относительны так же, как указания "налево" или "направо", "верх" или "низ". Вся эта парадоксальная путаница с направлениями очень плохо согласуется с нашими повседневными оценками. Как только корабль пересечет границу черной дыры, люди на Земле уже не смогут ничего увидеть из того, что там будет происходить. А на корабле остановятся часы, все краски будут смещены в сторону красного цвета: свет потеряет часть энергии в борьбе с гравитацией. Все предметы приобретут странные искаженные очертания. И, наконец, даже если эта черная дыра будет всего вдвое тяжелее, чем наше Солнце, притяжение станет столь сильным, что и корабль, и его гипотетический капитан будут вытянуты в шнурок и вскорости разорваны. Материя, попавшая внутрь черной дыры, не сможет противостоять силам, влекущим ее к центру. Вероятно, материя распадется и перейдет в сингулярное состояние. Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет частью какой-то иной Вселенной - черные дыры связывают наш космос с другими мирами.