Чорні дірки

3) Якщо вихідне тіло  оберталося, то навколо чорної  діри зберігається "вихровий" гравітаційне поле, захопливе всі сусідні тіла в обертальний рух навколо неї. Поле тяжіння обертається чорної діри називають полем Керра (математик Рой Керр в 1963 знайшов рішення відповідних рівнянь). Цей ефект характерний не тільки для чорної діри, але для будь-якого тіла, що обертається, навіть для Землі. З цієї причини розміщений на штучному супутнику Землі вільно обертається гіроскоп відчуває повільну прецесію щодо далеких зірок. Поблизу Землі цей ефект ледь помітний, але поблизу чорної діри він виражений набагато сильніше: за швидкістю прецесії гіроскопа можна виміряти момент імпульсу чорної діри, хоча сама вона не видно.

Чим ближче ми підходимо до горизонту чорної діри, тим сильніше стає ефект захоплення "вихровим полем". Перш ніж досягти обрію, ми опинимося на поверхні, де хобі стає настільки сильним, що жоден спостерігач не може залишатися нерухомим (тобто бути "статичним") щодо далеких зірок. На цій поверхні (званої межею статичності) і усередині неї всі об'єкти повинні рухатися по орбіті навколо чорної діри в тому ж напрямку, в якому обертається сама діра. Незалежно від того, яку потужність розвивають його реактивні двигуни, спостерігач усередині межі статичності ніколи не зможе зупинити своє обертальний рух відносно далеких зірок.

Межа статичності всюди  лежить поза горизонту і стикається з ним лише в двох точках, там, де вони обидва перетинаються з віссю обертання чорної діри. Область простору-часу, розташована між горизонтом і межею статичності, називається ергосферой. Об'єкт, що потрапив в ергосферой, ще може вирватися назовні. Тому, хоча чорна діра "все з'їдає і нічого не відпускає", тим не менш, можливий обмін енергією між нею і зовнішнім простором. Наприклад, що пролітають через ергосферой частки або кванти можуть забирати енергію її обертання.

4) Всі речовина всередині горизонту подій чорної діри неодмінно падає до її центру і утворює сингулярність з нескінченно великою щільністю. Англійський фізик Стівен Хоукінг визначає сингулярність як "місце, де руйнується класична концепція простору і часу так само, як і всі відомі закони фізики, оскільки всі вони формулюються на основі класичного простору-часу".

5) Крім цього С. Хоукінг  відкрив можливість дуже повільного  самовільного квантового "випаровування"  чорних дірок. У 1974 він довів,  що чорні діри (не тільки обертаються, але будь-які) можуть випускати речовина і випромінювання, однак помітно це буде лише в тому випадку, якщо маса самої діри відносно невелика. Потужне гравітаційне поле поблизу чорної діри має народжувати пари частинка-античастинка. Одна з частинок кожної пари поглинається дірою, а друга випускається назовні. Наприклад, чорна діра з масою 10 12 кг повинна вести себе як тіло з температурою 10 11 До, яке випромінює дуже жорсткі гамма-кванти та частки. Ідея про "випаровуванні" чорних дір повністю суперечить класичному уявленню про них як про тіла, не здатних випромінювати.

 

4. Еволюція зірок

Зоряні рештки можуть бути трьох різновидів: це білі карлики, нейтронні зірки і чорні діри.

Природа білих карликів як «мертвих» зірок стала досить ясна після піонерської роботи С. Чандрасекара на початку 1930-х років. Та термоядерна «піч», яка підтримує структуру звичайних зірок, не може бути причиною стійкості зовнішніх шарів у білих карликів просто тому, що в них вже вичерпано все пальне. Для розуміння того, що ж підтримує структуру білого карлика, розглянемо речовину в серцевині колапсуючої, вмираючої зірки. У міру стиснення зірки тиску і щільності стають такі великі, що всі атоми повністю «роздавлюються». У результаті виходить море вільних електронів, у якому як би «плавають» ядра. Електрони мають спіном, або власним «обертанням», внаслідок чого їх поведінка підкоряється важливого закону природи, що зветься у фізиці принципом заборони Паулі. Згідно з цим, два електрони одночасно не можуть займати одне і те ж місце, якщо їх швидкості і спіни однакові. У міру стиснення вмираючої зірки електрони піддаються тиску до такої міри, що врешті-решт виявляються заповненими всі вакансії можливого розташування і швидкостей електронів. Як тільки це сталося, електрони починають з великою силою діяти один на одного, чинячи опір подальшому стисненню вмираючої зірки. Таким чином, виникає тиск вироджених електронів, що запобігає необмежену стиск (колапс) білого карлика.

Білі карлики відомі астрономам вже протягом багатьох років. Ці зірки настільки звичайні, що до недавніх пір всі вважали їх кінцевим станом усіх вмираючих зірок.

Виконавши детальні розрахунки структури білих карликів, Чандрасекара прийшов до цікавого відкриття: для  маси білого карлика існує сувора верхня межа. Тиск вироджених електронів здатне підтримувати речовина мертвої зірки лише в тому випадку, якщо її маса не перевищує приблизно 1,25 маси Сонця. Якщо ж маса вмираючої зірки істотно більше 1,25 сонячної, то навіть потужних сил між виродженими електронами недостатньо для того, щоб протистояти нищівного тиску горішніх шарів зірки. Цей критичний межа маси - близько 1,25 маси Сонця-називається межею Чандрасекара.

Так як білі карлики вельми звичайні і так як не було відомо інших типів «мертвих» зірок, то астрономи вважали, що всі вмираючі зірки примудряються так чи інакше скинути достатню кількість речовини, щоб їх маси опинилися в межах маси Чандрасекара і дали нейтрони. Коли, нарешті, вся зірка майже цілком перетвориться на нейтрони, знову почне відігравати важливу роль принцип заборони Паулі. Сили між нейтронами викличуть появу тиску вироджених нейтронів. Це нове, ще більш могутнє тиск здатний зупинити стиск і веде до появи зоряного тіла нового типу - нейтронної зірки.

Ще через п'ять років, в 1939 р., Ю.Р. Оппенгеймер і Г. Волков опублікували великі обчислення, що доводять плідність цих міркувань. Але так як ніхто ніколи не спостерігав нейтронних зірок, ці пророчі ідеї не знайшли підходящої грунту. По суті справи астрономи просто не знали, де і як їм шукати нейтронні зірки.

У 1054 р. н. е.. астрономи Стародавнього  Китаю відзначили появу на небі «зірки-гості» в сузір'ї Тельця. Яскравість цієї нової зірки була настільки велика, що її можна було бачити без праці в сонячний день, Потім вона почала слабшати і незабаром зовсім пропала з поля зору.

Коли сучасні астрономи  направили свої телескопи на те місце неба, де, за давніми записами, з'явилася «зірка-гостя», вони виявили чудову Крабоподібна туманність. Крабоподібна туманність є прекрасним прикладом залишку вибуху наднової, а давньокитайських астрономам настільки пощастило, що вони побачили вмираючу зірку, коли вона скидала свою атмосферу.

Наприкінці 1968 астрономів чекала нова радість: був виявлений пульсар, який знаходиться точно посередині Крабоподібної туманності. Цей пульсар, відомий як NP 0532, - самий швидко пульсуючий з усіх пульсарів. Імпульси радіовипромінювання приходять від нього по 30 разів за секунду. Це відкриття дало астрономам привід для підозр, що вмираючі зірки можуть мати якийсь стосунок до пульсара. Безпосередні розрахунки показали, що білі карлики не здатні давати тридцять імпульсів радіошумів в секунду. Прийшла пора воскресити ідеї Бааде, Цвіккі, Оппенгеймера і Волкова.

Усі зірки обертаються  і всі вони, ймовірно, володіють магнітними полями. У звичайних умовах обидва цих властивості досить несуттєві. Наприклад, Сонце робить один оборот навколо своєї осі приблизно за місяць. Його магнітне поле до того ж досить слабке. У середньому у Сонця магнітне поле має приблизно таку ж напруженість, як і у Землі. Однак якщо Сонце або подібна йому зірка стане стискатися до розмірів нейтронної зірки, то обидва зазначених властивості придбають виключно важливе значення. Щоб зрозуміти причини цього, уявімо собі фігуристку, що робить пірует на льоду. Це - прямий наслідок фундаментального закону фізики, відомого як закон збереження моменту кількості руху. Подібним же чином, якщо велика зірка, розміром з Сонце, стискається до малого обсягу, то швидкість її обертання стрімко зростає. Тому астрономи вважають, що нейтронні зірки дуже швидко обертаються, ймовірно, швидше, ніж оборот за секунду.

Коли зірка дуже велика, її магнітне поле розподілено по багатьом мільйонам квадратних кілометрів її поверхні. Напруженість магнітного поля в усіх точках поверхні досить невелика. Однак, вмираючи, зірка зменшується в розмірах. То магнітне поле, яке спочатку було розподілено на великій площі, зосереджується на декількох сотнях квадратних кілометрів. При скороченні площі, займаної магнітним полем, його напруженість теж стрімко зростає. Якби зірка начебто Сонця стиснулася до розмірів нейтронної зірки, то напруженість її магнітного поля збільшилася б приблизно в мільярд разів!

У астрономів, які обіймають  проблемами нейтронних зірок, є вагомі підстави вважати, що ці зірки швидко обертаються навколо осі і володіють потужними магнітними полями.

Не може існувати нейтронних зірок з масою більше приблизно 2,25 сонячної! Вище цього критичної  межі тиск вироджених нейтронів у  свою чергу виявляється недостатнім, щоб підтримати вмираючу зірку.

Спостереження подвійних  зірок свідчать про те, що у Всесвіті існують зірки з масами до 40 або 50 сонячних. Розрахунки процесів еволюції зірок говорять про те, що масивні зірки старіють дуже швидко. Припустимо, що вмираюча масивна зірка не викине все зайве речовина в космічний простір спалахнувши як найновіша, нехай тому, що залишилася від зірки мертва серцевина володіє масою більше 3 сонячних мас. Така зірка не може стати білим карликом, так як її маса значно перевищує межу Чандрасекара. Така зірка не може стати і пульсаром, бо її маса занадто велика, щоб її могла витримати тиск виродженого нейтронного газу. Що вмирає зірка, мертва серцевина якої містить речовини більше 3 сонячних мас просто стає менше і менше. Спрямована всередину нищівного сила ваги мільярдів тонн речовини не може зустріти гідного опору. У міру стиснення зірки напруженість гравітаційного поля навколо неї стає все більше. У ході триваючого стиснення наростає викривлення простору-часу. Нарешті, коли зірка стиснеться до поперечника у кілька кілометрів, простір-час «згорнеться» і зірка зникне, а те, що залишиться, називається чорною дірою.

 

 

Висновки

1. В останні роки наші уявлення про чорні діри помітно змінилися. Ще недавно ці об'єкти вважалися екзотичними. Тепер астрономи впевнені, що Всесвіт рясніє чорними дірами. За розрахунками вчених, їх не менше 400 мільйонів. Парадоксально, але факт: майже половина всього світла у Всесвіті породжена самими похмурими космічними об'єктами - чорними дірами. Вони перетворюють речовину в енергію світла ефективніше, ніж будь-яка зірка.

Однак механізм колапсу разюче нагадує схему формування чорної діри. Коли зірка «вигорає», її руїни  під дією власної ваги стискаються. На місці зірки утворюється неймовірно щільний об'єкт - чорна діра. Навіть світло не повинно вирватися з її надр. У той же час лише на її прикладі можна вивчати процеси, які передували Великого Вибуху і привели до народження нового Всесвіту. Чорна діра - їх жива модель, що замінює космологам складні математичні формули, якими вони описують Великий Вибух.

2) Складнішим стає і уявлення про чорних дірах. Астрономи навчилися розрізняти в цих згустках мороку кілька різновидів:

* Мініатюрні чорні діри  діаметром кілька кілометрів; вони утворюються при колапсі зірки, і їх маса незначно перевищує масу Сонця;

* Чорні діри середніх  розмірів; вони утворюються при злитті мініатюрних чорних дірок, і їх маса в10 - 100 тисяч разів перевищує масу Сонця;

* Надмасивні чорні діри, вони в мільйони, а то і в  мільярди разів важчі за Сонце;  подібні прірви розверзаються в центрі галактик.

Будь-яка чорна діра здається настільки дивним об'єктом, що навіть уяви бракує нам, коли ми намагаємося  подумки зазирнути в її надра, адже вона ні на що не схожа - ні на зірки, ні на комети.

 

 

Список використовуваної літератури

1. Вайнсберг С. Перші  три хвилини. М.: Энергоиздат. 1981

2. Знання - сила / / Волков А. Прямуючи в чорну діру. Б.м. - 2005. - № 4 С.19 - 25

3. Кауфман У. Космічні рубежі теорії відносності. М.: Мір.1981

4. Наука і життя / К. Чорні діри Б.М.

5. Новіков І.Д. Енергетика чорних дір. М.: Знание. 1986

6. Новіков І.Д. Чорні дірки у Всесвіті. М.: Знание. 1977