Чорні дірки

Полтавський національний педагогічний університет  імені В. Г. Короленка

кафедра біології та основ здоров’я людини

 

 

 

Реферат

з природознавства

на  тему: «Чорні дірки»

 

 

 

Студентки IV курсу 42 групи

напряму підготовки 0401 Природничі науки спеціальності 6.040101 Хімія

Тарабун К.І.

Реферат перевірив

Ассистент кафедри біології та основ здоров'я людини, Новописьменний С.А.

Кількість балів: __________

 

 

 

 

 

 

 

м. Полтава - 2013 рік

 

 

Зміст

Вступ

1. Формування чорних дірок

2. Випромінювання чорної  діри

3. Властивості чорних  дір

4. Еволюція зірок

Висновок

Список використовуваної літератури

 

 

Вступ

У наш час важко знайти людину, яка не чула б про чорні діри. Разом з тим, мабуть, не менш важко відшукати того, хто зміг би пояснити, що це таке. Втім, для фахівців чорні діри вже перестали бути фантастикою - астрономічні спостереження давно довели існування як «малих» чорних дір (з масою порядку сонячної), які утворилися в результаті гравітаційного стиснення зірок, так і надмасивних (до 109 мас Сонця), які породив колапс цілих зоряних скупчень в центрах багатьох галактик, включаючи нашу. В даний час мікроскопічні чорні діри шукають в потоках космічних променів надвисоких енергій (міжнародна лабораторія Pierre Auger, Аргентина) і навіть припускають «налагодити їх виробництво» на Великому адронному коллайдері (LHC). Проте справжня роль чорних дір, їх «призначення» для Всесвіту, знаходиться далеко за межами астрономії та фізики елементарних частинок. При їх вивченні дослідники глибоко просунулися в науковому розумінні перш суто філософських питань - що є простір і час, чи існують межі пізнання Природи, який зв'язок між матерією та інформацією.

Термін «чорна діра» був  запропонований фізиком Джоном Арчібальдом Вілером в 1967 році, однак перші пророкування існування тіл настільки масивних, що навіть світло не може їх покинути, датуються XVIII століттям і належать Дж. Мітчеллу і П. Лапласу. Їх розрахунки ґрунтувалися на теорії тяжіння Ньютона і корпускулярну природу світла. Все це зумовлює постановку наукової проблеми та актуальність вибраної теми роботи.

Метою роботи є розкрити поняття про чорні дири та обґрунтувати всю суть їх існування.

Завдання даної  роботи:

• Теоретично узагальнити поняття про чорні дири;
• Надати необхідні факти про велич і загрозу чорних дірок для всесвіту.

 

 

2. Формування чорних  дір

Найбільш очевидний шлях утворення чорної діри - колапс ядра масивної зірки. Поки в надрах зірки не виснажився запас ядерного палива, її рівновага підтримується за рахунок термоядерних реакцій (перетворення водню в гелій, потім у вуглець, і т.д., аж до заліза у найбільш масивних зірок). Вирізняється при цьому тепло компенсує втрату енергії, що йде від зірки з її випромінюванням і зоряним вітром. Термоядерні реакції підтримують високий тиск в надрах зірки, перешкоджаючи її стиску під дією власної гравітації. Проте з часом ядерне паливо виснажується і зірка починає стискатися.

Найбільш швидко стискається  ядро зірки, при цьому воно сильно розігрівається (його гравітаційна енергія  переходить у тепло) і нагріває навколишню його оболонку. У результаті зірка втрачає свої зовнішні шари у вигляді повільно розширюється планетарної туманності або катастрофічно скинутої оболонки найновішої. А доля стискального ядра залежить від його маси. Розрахунки показують, що якщо маса ядра зірки не перевершує трьох мас Сонця, то вона "виграє битву з гравітацією": його стиснення буде зупинено тиском виродженого речовини, і зірка перетвориться на білий карлик або нейтронну зірку. Але якщо маса ядра зірки більше трьох сонячних, то вже ніщо не зможе зупинити його катастрофічний колапс, і воно швидко піде під горизонт подій, ставши чорною дірою. Як випливає з формули для r g, чорна діра з масою 3 сонячних має гравітаційний радіус 8,8 км.

Астрономічні спостереження  добре узгоджуються з цими розрахунками: всі компоненти подвійних зоряних систем, що проявляють властивості чорних дірок (у 2005 їх відомо близько 20), мають маси від 4 до 16 мас Сонця. Теорія зоряної еволюції указує, що за 12 млрд. років існування нашої Галактики, яка містить близько 100 млрд. зірок, в результаті колапсу найбільш масивних з них повинне було утворитися декілька десятків мільйонів чорних дір. До того ж, чорні діри дуже великої маси (від мільйонів до мільярдів мас Сонця) можуть перебувати в ядрах великих галактик, в тому числі, і нашою. Про це свідчать астрономічні спостереження, хоча шляхи формування цих гігантських чорних дір не цілком ясні.

Якщо в нашу епоху висока щільність речовини, необхідна для  народження чорної діри, може виникнути  лише в стискальних ядрах масивних зірок, то в далекому минулому, відразу  після Великого вибуху, з якого близько 14 млрд. років тому почалося розширення Всесвіту, висока щільність матерії була всюди . Тому невеликі флуктуації щільності в ту епоху могли приводити до народження чорних дір будь-якої маси, в тому числі і малої. Але найменші з них в силу квантових ефектів повинні були випаруватися, втративши свою масу у вигляді випромінювання і потоків частинок. "Первинні чорні діри" з масою більше 10 12 кг могли зберегтися до наших днів. Найдрібніші з них, масою 10 12 кг (як у невеликого астероїда), повинні мати розмір порядку 10 -15 м (як у протона або нейтрона).

Нарешті, існує гіпотетична  можливість народження мікроскопічних чорних дір при взаємних зіткненнях швидких елементарних частинок. Таким є один із прогнозів теорії струн - одній з конкуруючих зараз фізичних теорій будови матерії. Теорія струн пророкує, що простір має більше трьох вимірів. Гравітація, на відміну від інших сил, повинна розповсюджуватися по всіх цих вимірів і тому істотно посилюватися на коротких відстанях. При потужному зіткненні двох частинок (наприклад, протонів) вони можуть стиснутися достатньо сильно, щоб народилася мікроскопічна чорна діра. Після цього вона майже миттєво руйнуватиметься ("випарується"), але спостереження за цим процесом представляє для фізики великий інтерес, оскільки, випаровуючись, дірка випускатиме всі існуючі в природі види часток. Якщо гіпотеза теорії струн вірна, то народження таких чорних дір може відбуватися при зіткненнях енергійних частинок космічних променів з атомами земної атмосфери, а також у найбільш потужних прискорювачах елементарних частинок.

2. Віпромінювання  чорної діри

Чорна діра народжує частинки. Порівняно великі чорні діри масою  в декілька сонячних мають настільки  низькою температурою, що можуть робити тільки «безмасові» частинки - частки, що летять завжди зі швидкістю світла і не мають власної маси спокою. До них, відносяться фотони, електронні та мюонні нейтрино, їх античастинки і, нарешті, ще гравітон - кванти гравітаційних хвиль. Чорна діра масою, типовою для зірок, народжує особливо багато нейтрино (81% усього потоку) всіх сортів, потім фотонів (17%) і гравітонів (2%). Той факт, що різні частинки випромінюються в різних кількостях, пояснюється різницею їхніх властивостей. Нейтрино випромінюється більше за все, тому що їх внутрішній кутовий момент (спін) мінімальний (1 / г), а гравітонів менше за все, так як їх спін максимальний.

Чорні діри малої маси мають  велику температуру. Так, температура  чорних дір масою менше за 1017-1016 г., вище 109-1010 К. Ці чорні діри породжують, крім перерахованих частинок, електронно-позитронні пари. Зауважимо, що розміри таких чорних дір становлять усього 1011см (в 1000 разів менше розміру атома).

Ще менші чорні діри масою <5 • 1014 г. здатні випромінювати важкі елементарні частинки. Чорна діра масою 1014г. випромінює 12% важких частинок і античастинок, 28% електронів і позитронів,. 48% нейтрино всіх сортів, 11% фотонів і 1% гравітонів (розмір цих чорних дір менше атомного ядра).

Особливу важливість квантові процеси набувають для первинних  чорних дірок. Якщо на початку розширення Всесвіту, коли речовина була щільним, утворилися чорні діри масою, меншою 1015г, то всі вони повинні до нашого часу випаруватися. З цієї причини процес, відкритий Хоукінг, має дуже важливе значення для космології. Процес випаровування первинних чорних дірок веде до випромінювання високочастотних фотонів - гамма-випромінювання. Так, чорні діри масою близько 1015г. повинні випромінювати кванти з енергією близько 100 МеВ.

Спостереження таких квантів, що приходять з космосу, в принципі могло б допомогти виявленню первинних чорних дірок. Поки ж вони не виявлені, і можна тільки сказати, що кількість чорних дір масою близько 1015 р у Всесвіті має бути в середньому не більше, ніж десять тисяч на кожен кубічний парсек. Якщо б їх було більше, то загальна кількість гамма-квантів, з енергією близько 100 МеВ було б більше спостережуваного зараз потоку гамма-квантів з космосу.

 

 

3. Властивості  чорних дір

Поблизу чорної дірки напруженість гравітаційного поля така велика, що фізичні процеси там можна описувати тільки за допомогою релятивістської теорії тяжіння. Згідно ЗТВ, простір і час викривляються гравітаційним полем масивних тіл, причому найбільше викривлення відбувається поблизу чорних дір. Коли фізики говорять про інтервали часу і простору, вони мають на увазі числа, лічені з будь-яких фізичних годин і лінійок. Наприклад, роль годин може грати молекула з певною частотою коливань, кількість яких між двома подіями можна називати "інтервалом часу".

Важливо, що гравітація діє  на всі фізичні системи однаково: всі годинники показують, що час уповільнюється, а всі лінійки, що простір розтягується поблизу чорної діри. Це означає, що чорна діра викривляє навколо себе геометрію простору і часу. Далеко від чорної діри це викривлення мало, а поблизу таке велике, що промені світла можуть рухатися навколо неї по колу. Далеко від чорної діри її полі тяжіння в точності описується теорією Ньютона для тіла такий ж маси, але поблизу гравітація стає значно сильніше, ніж пророкує ньютонова теорія.

Якщо б можна було спостерігати в телескоп за зіркою у момент її перетворення на чорну дірку, то спочатку було б видно, як зірка все швидше і швидше стискається, але в міру наближення її поверхні до гравітаційного радіусу стиснення почне сповільнюватися, поки не зупиниться зовсім. При цьому  приходить від зірки світло буде слабшати й червоніти поки остаточно не потухне. Це відбувається тому, що, долаючи силу тяжіння, фотони втрачають енергію і їм потрібно усе більше часу, щоб дійти до нас. Коли поверхня зірки досягне гравітаційного радіуса, яка покинула її світлу буде потрібно нескінченний час, щоб досягти будь-якого спостерігача, навіть розташованого порівняно близько до зірки (і при цьому фотони повністю втратять свою енергію). Отже, ми ніколи не дочекаємося цього моменту і, тим більше, не побачимо того, що відбувається із зіркою під горизонтом подій, але теоретично цей процес дослідити можна.

Розрахунок ідеалізованого сферичного колапсу показує, що за короткий час речовина під горизонтом подій стискається в точку, де досягаються нескінченно великі значення щільності і тяжіння. Таку точку називають "сингулярність". Більш того, математичний аналіз показує, що якщо виник горизонт подій, то навіть несферичних колапс приводить до сингулярності. Проте, все це вірно лише в тому випадку, якщо загальна теорія відносності застосовна аж до дуже малих просторових масштабів, в чому поки що немає впевненості. У мікросвіті діють квантові закони, а квантова теорія гравітації ще не створена. Ясно, що квантові ефекти не можуть зупинити стиснення зірки в чорну дірку, а ось запобігти появі сингулярності вони могли б.

Вивчаючи фундаментальні властивості матерії і простору-часу, фізики вважають дослідження чорних дір одним з найважливіших напрямів, оскільки поблизу чорних дір виявляються приховані властивості гравітації. Для поведінки речовини і випромінювання в слабких гравітаційних полях різні теорії тяжіння дають майже невиразні прогнози, проте в сильних полях, характерних для чорних дір, передбачення різних теорій істотно розходяться, що дає ключ до виявлення кращою серед них. У рамках найбільш популярною зараз теорії гравітації - ОТО Ейнштейна - властивості чорних дірок вивчені досить докладно. Ось деякі найважливіші з них:

1) Поблизу чорної дірки  час тече повільніше, ніж далеко  від неї. Якщо віддалений спостерігач  кине в бік чорної діри запалений  ліхтар, то побачить, як ліхтар  падатиме все швидше і швидше, але потім, наближаючись до  поверхні Шварцшильда, почне сповільнюватися,  а його світло буде тьмяніти і червоніти (оскільки сповільниться темп коливання всіх його атомів і молекул). З точки зору далекого спостерігача ліхтар практично зупиниться і стане невидимий, так і не зумівши перетнути поверхню чорної діри. Але якби спостерігач сам стрибнув туди разом з ліхтарем, то він за короткий час перетнув б поверхню Шварцшильда і впав до центру чорної діри, будучи при цьому розірваний її потужними приливними гравітаційними силами, що виникають через різницю тяжіння на різних відстанях від центру.

2) Яким би складним  не було початкове тіло, після його стиснення в чорну дірку зовнішній спостерігач може визначити тільки три його параметри: повну масу, момент імпульсу (пов'язаний з обертанням) і електричний заряд. Всі інші особливості тіла (форма, розподіл щільності, хімічний склад і т.д.) у ході колапсу "стираються". Те, що для стороннього спостерігача структура чорної дірки виглядає надзвичайно простий, Джон Уілер висловив жартівливим твердженням: "Чорна діра не має волосся".

У процесі колапсу зірки  в чорну дірку за малу частку секунди (по годинах віддаленого спостерігача) всі її зовнішні особливості, пов'язані з вихідною неоднорідністю, випромінюються у вигляді гравітаційних і електромагнітних хвиль. Новоутворена стаціонарна чорна діра "забуває" всю інформацію про вихідної зірку, крім трьох величин: повної маси, моменту імпульсу (пов'язаного з обертанням) і електричного заряду. Вивчаючи чорну діру, вже не дізнатися, складалася чи вихідна зірка з речовини або антиречовини, чи була вона витягнутої або сплюсненою і т.п. У реальних астрофізичних умовах заряджена чорна діра буде притягувати до себе з міжзоряного середовища частки протилежного знаку, і її заряд швидко стане нульовим. Що залишився стаціонарний об'єкт або буде невращающейся "шварцшільдовой чорною дірою", яка характеризується тільки масою, або обертається "керровской чорною дірою", яка характеризується масою і моментом імпульсу.