Чёрные дыры: возникновение и эволюция

белорусский национальный Технический университет

Факультет ММП

Реферат

По дисциплине «Основы современного естествознания»

На тему: «Чёрные  дыры: возникновение и эволюция»

 

 

Минск 2011

Подготовила: студентка 1 курса Черныш Н.А  
группа 105031 
Преподаватель:                          Степанов М.А.

 

 

 

Содержание:

• Введение. Предыстория.
• Возникновение  и эволюция чёрных дыр.
• Интересные факты и повсеместные заблуждение по отношению чёрных дыр.
• Заключение. Основные выводы.
• Список использованной литературы.

 

 

1. Введение. Предыстория

 

Примечание:  
 Чёрная дыра́ — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света).

  Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом.

 

Черная дыра является порождением  тяготения. Поэтому предысторию  открытия черных дыр можно начать со времен Исаака Ньютона, открывшего закон всемирного тяготения — закон, управляющий силой, действию которой подвержено абсолютно все. Ни во времена Ньютона, ни сегодня, спустя века, не обнаружена иная столь универсальная сила. Все другие виды физического взаимодействия связаны с конкретными свойствами материи. Например, электрическое поле действует только на заряженные тела, а тела нейтральные совершенно к нему безразличны. И только тяготение абсолютно царствует в природе. Поле тяготения действует на все: на легкие частицы и тяжелые (причем при одинаковых начальных условиях совершенно одинаково), даже на свет. То, что свет притягивается массивными телами, предполагал еще Ньютон. С этого факта, с понимания того, что свет также подчинен силам тяготения, и начинается предыстория черных дыр, история предсказаний их поразительных свойств.

Одним из первых это сделал знаменитый французский математик и астроном Пьер Лаплас 

Имя Лапласа хорошо известно в истории науки. Прежде всего, он является автором огромного пятитомного труда “Трактат о небесной механике”. В этой работе, публиковавшейся с 1798 по 1825 год, им была представлена классическая теория движения тел Солнечной системы, основанная только на законе всемирного тяготения Ньютона. До этой работы некоторые наблюдаемые особенности движения планет, Луны, других тел Солнечной системы не были полностью объяснены. Казалось даже, что они противоречат закону Ньютона. Лаплас тонким математическим анализом показал, что все эти особенности объясняются взаимным притяжением небесных тел, влиянием тяготения планет друг на друга. Только одна сила царит в небесах, провозглашал он, — это сила тяготения. “Астрономия, рассматриваемая с наиболее общей точки зрения, есть великая проблема механики”, — писал П. Лаплас в предисловии к своему “Трактату”. Кстати, сам термин “небесная механика”, так прочно вошедший в науку, был впервые употреблен им.

Лаплас был также одним из первых, кто понял необходимость  исторического подхода к объяснению свойств систем небесных тел. Он вслед  за И. Кантом предложил гипотезу происхождения  Солнечной системы из первоначально  разреженной материи.

Главная идея гипотезы Лапласа о  конденсации Солнца и планет из газовой  туманности и до сих пор служит основой современных теорий происхождения  Солнечной системы...

Обо всем этом много писалось в  литературе и в учебниках точно  так же, как и о гордых словах Лапласа, который в ответ на вопрос Наполеона: почему в его “Небесной механике” не упоминается бог? — сказал: “Я не нуждаюсь в этой гипотезе”.

А вот о чем до последнего времени было малоизвестно, — это о предсказании им возможности существования невидимых звезд.

Предсказание было сделано в  его книге “Изложение систем мира”, вышедшей в 1795 году. В этой книге, которую  мы бы сегодня назвали популярной, знаменитый математик ни разу не прибегнул  к формулам и чертежам. Глубокое убеждение Лапласа в том, что тяготение действует на свет точно так же, как и на другие тела, позволило ему написать следующие знаменательные слова:

“Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром  в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь  нас из-за своего тяготения; поэтому  возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми”.

В книге не приводилось доказательств  этого утверждения. Оно было опубликовано им несколько лет спустя.

Как рассуждал Лаплас? Он рассчитал, пользуясь теорией тяготения Ньютона, величину, которую мы теперь называем второй космической скоростью, на поверхности звезды. Это та скорость, которую надо придать любому телу, чтобы оно, поборов тяготение, навсегда улетело от звезды или планеты в космическое пространство. Если начальная скорость тела меньше второй космической, то силы тяготения затормозят и остановят движение тела и заставят его снова падать к тяготеющему центру. В наше время космических полетов каждый знает, что вторая космическая скорость на поверхности Земли равна 11 километрам в секунду. Вторая космическая скорость на поверхности небесного тела тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус этого тела. Это понятно: ведь с ростом массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает.

На поверхности Луны вторая космическая  скорость равна 2,4 километра в секунду, на поверхности Юпитера 61, на Солнце — 620, а на поверхности так называемых нейтронных звезд, которые по массе  примерно такие же, как Солнце, но имеют радиус всего в десять километров, эта скорость достигает половины скорости света — 150 тысяч километров в секунду.

Представим себе, рассуждал Лаплас, что мы возьмем небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость уже превышает скорость света. Тогда свет от такой звезды не сможет улететь в космос из-за действия тяготения, не сможет достичь далекого наблюдателя и мы не увидим звезду, несмотря на то, что она излучает свет!

Если увеличивать массу небесного  тела, добавляя к нему вещество с  той же самой средней плотностью, то вторая космическая скорость увеличивается  во столько же раз, во сколько возрастает радиус или диаметр.

Теперь понятен вывод, сделанный Лапласом: чтобы тяготение задержало свет, надо взять звезду с веществом той же плотности, что и Земля, а диаметром в 250 раз больше солнечного, то есть в 27 тысяч раз больше земного. Действительно, вторая космическая скорость на поверхности такой звезды будет тоже в 27 тысяч раз больше, чем на поверхности Земли, и. примерно сравняется со скоростью света: звезда перестанет быть видимой.

Это было блестящим предвидением одного из свойств чёрной дыры — не выпускать свет, быть невидимой. Справедливости ради надо отметить, что Лаплас был не единственным ученым и формально даже не самым первым, кто сделал подобное предсказание. Сравнительно недавно выяснилось, что в 1783 году с аналогичным утверждением выступал английский священник и геолог, один из основателей научной сейсмологии, Джон Митчелл. Его аргументация была очень похожа на аргументацию Лапласа.

Сейчас между французами и англичанами  идет иногда полушутливая, а иногда серьезная полемика: кого следует  считать первооткрывателем возможности  существования невидимых звезд — француза Пьера Лапласа или англичанина Джона Митчелла? В 1973 году известные английские физики-теоретики Стивен Хокинг и Джон Эллис в книге, посвященной современным специальным математическим вопросам структуры пространства и времени, приводили работу Лапласа с доказательством возможности существования черных звезд; тогда о работе Джона Митчелла еще не было известно. Осенью 1984 года известный английский астрофизик Мартин Рисе, выступая на конференции в Тулузе, сказал, что хотя это не очень удобно говорить на территории Франции, но он должен подчеркнуть, что первым предсказал невидимые звезды англичанин Джон Митчелл, и продемонстрировал снимок первой страницы соответствующей его работы. Это историческое замечание было встречено и аплодисментами и улыбками присутствующих.

Но предвидение П. Лапласа и Дж. Митчелла еще не было настоящим предсказанием черной дыры. Почему?

Дело в том, что во времена Лапласа еще не было известно, что быстрее света в природе ничто не может двигаться. Обогнать свет в пустоте нельзя! Это было установлено Альбертом Эйнштейном в специальной теории относительности уже в нашем веке. Поэтому для Лапласа рассматриваемая им звезда была только черной (несветящейся), и он не мог знать, что такая звезда теряет способность вообще как-либо “общаться” с внешним миром, что-либо “сообщать” далеким мирам о происходящих на ней событиях. Иными словами, он еще не знал, что это не только “черная”, но и “дыра”, в которую можно упасть, но невозможно выбраться. Теперь мы знаем, что если из какой-то области пространства не может выйти свет, то, значит, и вообще ничто не может выйти, и такой объект мы называем черной дырой.

Другая причина, из-за которой рассуждения Лапласа нельзя считать строгими, состоит в том, что он рассматривал гравитационные поля огромной силы, в которых падающие тела разгоняются до скорости света, а сам выходящий свет может быть задержан, и применял при этом закон тяготения Ньютона.

Альберт Эйнштейн показал, что для таких полей теория тяготения Ньютона неприменима, и создал новую теорию, справедливую для сверхсильных, а также для быстроменяющихся полей (для которых ньютоновская теория также неприменима!), и назвал ее общей теорией относительности. Именно выводами этой теории надо пользоваться для доказательства возможности существования черных дыр и для изучения их свойств.

 

 

 

2. Возникновение  и эволюция чёрных дыр

 

Общая теория относительности  утверждает, что массивные звезды, когда израсходуют свое ядерное  топливо, сожмутся внутрь себя. Самый очевидный путь образования черной дыры – коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься.

Наиболее быстро сжимается  ядро звезды, при этом оно сильно разогревается (его гравитационная энергия переходит в тепло) и  нагревает окружающую его оболочку. В итоге звезда теряет свои наружные слои в виде медленно расширяющейся  планетарной туманности или катастрофически  сброшенной оболочки сверхновой.

А судьба сжимающегося ядра зависит от его массы. Расчеты  показывают, что если масса ядра звезды не превосходит трех масс Солнца, то она «выигрывает битву с  гравитацией»: его сжатие будет остановлено  давлением вырожденного вещества, и  звезда превратится в белый карлик (Прим. Белые карлики представляют собой компактные звёзды с массами, сравнимыми с массой Солнца, но с радиусами в ~100 и, соответственно, светимостями в ~10 000 раз меньшими солнечной. Плотность белых карликов составляет 10⁵—10⁹ г/см³, что почти в миллион раз выше плотности обычных звёзд главной последовательности. По численности белые карлики составляют, по разным оценкам, 3—10 % звёздного населения нашей Галактики.) или нейтронную звезду (Прим.: Нейтронная звезда состоит из нейтронной сердцевины и тонкой коры вырожденного вещества с преобладанием ядер железа и никеля. Масса нейтронной звезды практически такая же, как и у Солнца, но радиус всего 10 км. Поэтому средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра).

Но если масса ядра звезды более трех солнечных, то уже ничто  не сможет остановить его катастрофический коллапс. Они будут продолжать сжиматься, пока не достигнут сингулярности (Прим.: места, где пространство-время имеет начало и конец), или бесконечной плотности. Эта сингулярность стала бы концом времени – по крайней мере, для звезды и всего сущего на ней. Её гравитационное поле было бы столь сильным, что свет не мог бы вырваться из области вокруг нее, а затягивался бы этим полем назад. Область, из которой невозможно вырваться, называется черной дырой, а ее границы – горизонтом событий. Его образует свет, едва не вырвавшийся из черной дыры, но оставшийся парить на краю.

 

Хотя мы еще не имеем  подходящей квантовой теории гравитации, не говоря уж о теории, обобщающей и  другие физические взаимодействия, у  нас есть идея относительно некоторых  особенностей, которые она должна иметь. Одна из них связана с тем  фактом, что гравитация влияет на случайные  структуры пространства времени, то есть гравитация определяет, какие  события могут случайно связываться  с другими. Пример этого в классической общей теории относительности –  черные дыры, представляющие собой  область пространства времени, где  гравитационное поле так сильно, что  свет или другие сигналы затягиваются туда и не могут выскользнуть во внешний мир. Это интенсивное  гравитационное поле около черной дыры приводит к возникновению пар  частица античастица, одна из которых  падает в черную дыру, а другая улетает  в бесконечность. Улетающие частицы  словно бы излучаются черной дырой. Удаленный  от черной дыры наблюдатель может  измерять только вылетающие частицы  и не может связывать их с упавшими в черную дыру, потому что не наблюдает  их. Это означает, что вылетающие частицы имеют повышенный уровень  случайности или непредсказуемости  по сравнению с тем, который обычно связан с принципом неопределенности. В нормальных ситуациях принцип  неопределенности подразумевает возможность  точно предсказать или  положение, или  скорость частицы, или  сочетание  положения и скорости. Таким образом, грубо говоря, способность делать определенные утверждения делится  пополам. Однако в случае с частицами, вылетевшими из черной дыры, невозможность  наблюдать происходящее в черной дыре означает, что нельзя определенно  предсказать ни  положение, ни  скорость вылетающих частиц. Все, что  можно сказать, – это вероятности, с которыми частицы вылетают в  определенных режимах.