Многообразие звезд. От красных карликов до черных дыр

     Каковы же физические свойства «чёрных дыр» и как учёные предполагают обнаружить эти объекты? Многие учёные раздумывали над этими вопросами; получены кое-какие ответы, которые способны помочь в поиска таких объектов.

Само название – чёрные дыры – говорит о том, что это класс объектов, которые нельзя увидеть. Их гравитационное поле настолько сильно, что если бы каким-то путём удалось оказаться вблизи чёрной дыры и направить в сторону от её поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающее расстояние от Земли до Солнца.

Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля чёрной дыры и покинуть её поверхность.

Именно поэтому такая поверхность называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу чёрной дыры.

Учёные отмечают, что эти необычные объекты нелегко понять, оставаясь в рамках закона тяготения Ньютона. Вблизи поверхности чёрной дыры гравитация столь сильна, что привычные ньютоновские законы здесь перестают действовать. Их следует заменить законами общей теории относительности Эйнштейна. Согласно одному из трёх следствий теории Эйнштейна, покидая массивное тело, свет должен испытывать красное смещение, так как он теряет энергию на преодоление гравитационного поля звёзды. Излучение, приходящее от плотной звезды, подобной белому карлику – спутнику Сириуса А, - лишь слегка смещается в красную область

спектра. Чем плотнее звезда, тем больше это смещение, так что от сверхплотной звезды совсем не будет приходить излучения в видимой области спектра. Но если гравитационное действие звезды увеличивается в результате её сжатия, то силы тяготения оказываются настолько велики, что свет вообще не может покинуть звезду. Таким образом, для любого наблюдателя возможность увидеть черную дыру полностью исключена! Но тогда естественно возникает вопрос: если она не видима, то, как же мы можем её обнаружить? Чтобы ответить на этот вопрос учёные прибегают к искусным уловкам. Руффини и Уиллер досконально изучили эту проблему и предложили несколько способов пусть не увидеть, но хотя бы обнаружить чёрную дыру. Начнём с того, что, когда чёрная дыра рождается в процессе гравитационного коллапса, она должна излучать гравитационные волны,

которые могли бы пересекать пространство со скорость света и на короткое время искажать геометрию пространства вблизи Земли. Это искажение проявилось бы в виде гравитационных волн, действующих одновременно на одинаковые инструменты, установленные наземной поверхности на значительном расстоянии друг от друга.

Гравитационное излучение могло бы приходить от звёзд, испытывающих гравитационный коллапс. Если в течение обычной жизни звезда вращалась, то, сжимаясь и становясь всё меньше и меньше, она будет вращаться всё быстрее, сохраняя свой момент количества движения.  Наконец она может достигнуть такой стадии, когда скорость движения на её экваторе приблизится к скорости света, то есть к предельно возможной скорости. В этом случае звезда оказалась бы сильно деформированной и могла бы выбросить часть вещества. При такой деформации энергия могла бы уходить от звезды в виде гравитационных волн  с частотой порядка тысячи колебаний в секунду (1000 Гц).

Роджер Пенроуз, профессор математики Биркбекского колледжа Лондонского университета, рассмотрел любопытный случай коллапса и образования чёрной дыры.

Он допускает, что чёрная дыра исчезает, а затем проявляется в другое время в какой-то иной вселенной. Кроме того, он утверждает, что рождение чёрной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией пространства-времени происходит нечто необычное. Исследования Пенроуза показывают, что коллапс заканчивается образованием сингулярности (от лат. singularius – отдельный, одиночный), то есть он должен продолжаться до нулевых размеров и бесконечной плотности объекта. Последнее условие даёт возможность другой вселенной приблизиться  к нашей сингулярности, и не исключено, что сингулярность перейдёт в эту новую вселенную. Она даже может появиться в каком либо другом месте нашей собственной Вселенной.

Некоторые учёные рассматривают образование чёрной дыры как маленькую модель того, что, согласно предсказаниям общей теории относительности, в конечном счёте, может случиться с Вселенной. Общепризнано, что мы можем в неизменно расширяющейся Вселенной, и один из наиболее важных и насущных вопросов науки касается природы Вселенной, её прошлого и будущего. Без сомнения, все современные результаты наблюдений указывают на расширение Вселенной. Однако на сегодня один из самых каверзных вопросов таков: замедляется ли скорость этого расширения, и если да, то не сожмётся ли Вселенная через десятки миллиардов лет, образуя сингулярность. По-видимому, когда-нибудь мы сможем выяснить, по какому пути следует Вселенная, но, быть может, много раньше, изучая информацию, которая просачивается при рождении чёрных дыр, и те физические законы, которые управляют их судьбой, мы сможем предсказать окончательную судьбу Вселенной».

 

Многообразие звезд во Вселенной неисчерпаемо, и возможно существуют еще звезды или продукты их эволюции, которые не вошли в эту классификацию.

 

 

Вывод

 После того как звезда исчерпает свои источники  энергии,  она  начинает остывать  и  сжиматься.  При  этом  физические  свойства  газа   кардинально меняются,  так  что  его  давление  сильно  возрастает.  Если  масса  звезды невелика,  то  силы  гравитации   сравнительно   слабы   и   сжатие   звезды прекращается,  она  переходит  в  устойчивое  состояние  белого  карлика.  В современной  теории  звёздной  эволюции  белые  карлики  рассматриваются  как конечный этап  эволюции  звёзд  средней  и  малой  массы  (меньше  3-4  масс Солнца). После того как в  центральных  областях  стареющей  звезды  выгорит весь водород, её ядро должно сжаться и разогреться. Внешние  слои  при  этом сильно  расширяются,  эффективная  температура   светила   падает,   и   оно становится красным  гигантом.  Образовавшаяся  разреженная  оболочка  звезды очень  слабо  связана  с  ядром,  и  она  в  конце  концов  рассеивается   в пространстве. На месте бывшего красного гиганта  остаётся  очень  горячая  и компактная звезда, состоящая в основном из гелия, - белый карлик.  Благодаря своей высокой температуре она излучает главным  образом  в  ультрафиолетовом диапазоне и ионизует газ разлетающейся оболочки.  Но  если  масса  превышает некоторое критическое  значение,  сжатие  продолжается.  При  очень  высокой плотности электроны, соединяясь с протонами, образуют нейтральные частицы  – нейтроны. Вскоре уже почти вся звезда состоит из  одних  нейтронов,  которые настолько  тесно  прижаты  друг  к  другу,  что  огромная   звёздная   масса сосредоточивается в очень небольшом шаре  радиусом  несколько  километров  и сжатие  останавливается.  Плотность  этого  шара  –  нейтронной   звезды   –  чудовищно велика даже по сравнению с плотностью белых  карликов:  она  может превысить 10 млн. т. / см. куб.

    Чёрные дыры  образуются в результате коллапса  гигантских  звёзд  массой более 3-х масс Солнца. При сжатии их  гравитационное  поле  уплотняется  всё сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что  свет  уже не может преодолеть  её  притяжение.  Радиус,  до  которого  должна  сжаться звезда,  чтобы  превратиться  в  чёрную  дыру,   называется   гравитационным радиусом. Для массивных звёзд он составляет несколько  десятков  километров.

Отличить чёрную дыру от  нейтронной  звезды  (если  излучение  последней  не наблюдается) очень трудно. Поэтому о существовании чёрных дыр часто  говорят предположительно. Тем  не  менее,  открытие  массивных  несветящихся  тел  – серьёзный аргумент в пользу их существования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1. Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

 

 

 

 

 

Используемая литература:

1. Бабушкин А. Н. Современные концепции естествознания. - 2010 г. 
2. Каплан С.А. Физика звезд/ С.А. Каплан.-3-е изд.- М.: Наука, 2009. 
3. Проект "Исследование Солнечной системы" /http://galspace.spb.ru/index61-3.html . – 2014

4. Сурдин В.Г. Протозвезды. Где, как и из чего формируются  звезды// В.Г. Сурдин, С.А. Ламзин. - М., 2014 
5. Тейлер Р. Строение и эволюция звезд. - М., 2009.  
6. И.С. Шкловского “Вселенная, жизнь, разум”. – Изд-во: журнал "Экология и жизнь", 2010. – 312с