Современная наука о космосе

 

Рисунок 5.4 – Рождение Сверхновой

Частота сигнала будет резко падать. Длина волны испускаемого телом света будет стремительно расти, так что свет быстро превратится в радиоволны и далее в низкочастотные электромагнитные колебания, зафиксировать которые уже будет невозможно. Пересечения телом горизонта событий наблюдатель не увидит никогда и в этом смысле падение в чёрную дыру будет длиться бесконечно долго. Есть, однако, момент, начиная с которого повлиять на падающее тело удалённый наблюдатель уже не сможет. Луч света, посланный вслед этому телу, его либо вообще никогда не догонит, либо догонит уже за горизонтом. Аналогично будет выглядеть для удалённого наблюдателя и процесс гравитационного коллапса. Вначале вещество ринется к центру, но вблизи горизонта событий оно станет резко замедляться, его излучение уйдёт в радиодиапазон, и, в результате, удалённый наблюдатель увидит, что звезда погасла. Чёрная дыра может разрастись за счёт поглощения вещества — как правило, это газ соседней звезды в двойных звёздных системах (столкновение чёрной дыры с любым другим астрономическим объектом очень маловероятно из-за её малого диаметра). Процесс падения газа на любой компактный астрофизический объект, в том числе и на чёрную дыру, называется аккрецией. При этом из-за вращения газа формируется аккреционный диск, в котором вещество разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается и в результате сильно излучает, в том числе и в рентгеновском диапазоне, что даёт принципиальную возможность обнаруживать такие аккреционные диски (и, следовательно, чёрные дыры) при помощи рентгеновских телескопов. Основной проблемой является малая величина и трудность регистрации отличий аккреционных дисков нейтронных звёзд и чёрных дыр, что приводит к неуверенности в идентификации астрономических объектов с чёрными дырами.

5.3 Сверхмассивные чёрные дыры

Разросшиеся очень массивные чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики. В настоящее время существование чёрных дыр звёздных и галактических масштабов считается большинством учёных надёжно доказанным астрономическими наблюдениями.

5.4 Первичные чёрные дыры

Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе — их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр (см. выше).

 

5.5 Квантовые чёрные дыры

Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Таким образом, все «элементарные объекты» можно разделить на элементарные частицы (их длина волны больше их гравитационного радиуса) и чёрные дыры (длина волны меньше гравитационного радиуса). Планковская чёрная дыра является пограничным объектом, для неё можно встретить название максимон, указывающее на то, что это самая тяжёлая из возможных элементарных частиц. Другой иногда употребляемый для её обозначения термин — планкеон. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

 

Рисунок5.4 – Изображение квантовой черной дыры.

 

6 Интересные объекты Вселенной

Вселенная очень многообразна и малоизученна. Человечество только начинает изучать её объекты, пытаться найти те секретные нити правды, что до сих пор были скрыты в бесконечной бездне космоса. Но все же цивилизация находит новые пути изучения космоса.

6.1 Растворяющаяся планета

Учеными была замечена "растворяющаяся" планета, вращающаяся вокруг звезды подобной Солнцу в созвездии Пегаса на расстоянии 150 световых лет от нас. Согласно докладу, опубликованному вчера в журнале Nature, большое количество раскаленного газа просто исчезает, оставляя за собой плотное ядро планеты. Понять химический состав планеты удастся только с помощью довольно интересной методики - как только эта планета встает на пути между звездой и Землей, ученые изучают свет от далекой звезды, прошедший через атмосферу этой планеты.

 

Рисунок 6.1 - Растворяющаяся планета

Астроном Альфред Видал-Маджар из Института Астрофизики в Париже исследовал спектроскопические данные, собранные Хабблом в течении трех периодов обращения планеты, и обнаружил резкое падение количества кислорода в ее атмосфере. Ученые утверждают, что "атмосфера нагрета, потому водород выходит из гравитационного поля планеты и "выкидывается" солнечным светом. Именно из-за этого у планеты наблюдается "хвост" аналогично кометам".  Исследователи подсчитали, что длина хвоста составляет 199560 километров, что почти в 5 раз больше окружности Земли. При этом, планета теряет водород с огромной скоростью - 10 миллионов килограмм в секунду. Предполагается, что водород будет испаряться до тех пор, пока не погаснет сама звезда. Такие вот тяжелые участи порой настигают планеты.. Хорошо, что у нашей Земли в ближайшее время такого не предвидится.

6.2 Радиогалактика

Термин «Радиогалактики» был введен в результате отождествления в 1949г. мощных источников космического радиоизлучения с относительно слабыми источниками оптического излучения— далекими галактиками. Таким образом, галактики, отождествленные с сильными радиоисточниками, и стали называть радиогалактиками. С другой стороны, многие квазары, являющиеся радиоисточниками, также представляют собой звездные системы и могут называться радиогалактиками. Радиогалактики и квазары очень похожи по многим параметрам. Например, по радиоизображениям практически невозможно сказать, к какому из этих двух классов объектов принадлежит источник. Кроме того, существуют объединяющие модели, объясняющие разницу свойств объектов их ориентацией по отношению к лучу зрения.

 

Рисунок 6.2 - Радиогалактика

Эта галактика - наиболее интересный объект для попыток увидеть активные галактики. Она исследуется посредством наблюдений во всех спектральных областях, от радио, инфракрасного и оптического излучения до рентгеновского и гамма излучения. Центавр - один из примеров радио активного галактического ядра (AGN). На изображениях мы видим что плотные облака пыли почти полностью закрывают центр галактики. Расстояние до нее приблизительно 12 млн. световых лет. До 1949, эта галактика была просто нетипичным объектом для Млечного пути, но позже он была идентифицирована как радиогалактика. Имеется убедительные свидетельства, что Центавр является столкновением эллиптической и спиральной галактик, так как спиральная галактика не имела бы достаточно пыли и газа, чтобы формировать молодые голубые звезды, замеченные по граням облака пыли. Ядро Центавра - самый маленький известный внегалактический радиоисточник, в поперечнике около 10 световых дней. Джет высоких частиц энергии от этого центра наблюдается в радио и рентгеновском спектре. Ядро, вероятно, содержит супермассивную черную дыру с массой приблизительно 100 миллионов солнечных масс.

6.3 Туманности

Туманности – это одни из наиболее красивых и мистических объектов вселенной. Основной составляющей туманностей является газ. Именно поэтому в зависимости от структуры и цвета газа мы наблюдает те феерические, потрясающие объекты в космическом пространстве.

 

Рисунок 6.3 - Взрыв сверхновой

 

Рисунок 6.4 - Туманность «Яйцеклетка»

 

Рисунок 6.5 - Туманность   «Улитка»

 

Рисунок 6.6 - Волокнистая Туманность

 

Рисунок 6.7 - Крабовидная туманность

 

Рисунок 6.8 - Туманность киля

 

Рисунок 6.9 - Трехраздельная Туманность

 

Рисунок 6.10 - Молекулярное облако

 

Рисунок 6.11 - Туманность «Карина Небула»

 

7 Общая теория относительности

Общая теория относительности (ОТО; англ. general theory of relativity)— геометрическая теория тяготения, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием.[1]

 

Рисунок 7.1 - Альберт Эйнштейн, автор общей теории относительности (1921 год)

ОТО в настоящее время— самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что подтвердило предсказания общей теории относительности. Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории из-за появления неустранимых математических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этой проблемы был предложен ряд альтернативных теорий. Современные экспериментальные данные указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.

7.1 Основные принципы общей теории относительности

Теория гравитации Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с полевой парадигмой современной физики и, в частности, со специальной теорией относительности, созданной в 1905 году Эйнштейном, вдохновлённым работами Пуанкаре и Лоренца. В теории Эйнштейна никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в вакууме. В классической механике Ньютона существует два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе — к закону всемирного тяготения. Первая масса — инертная (или инерционная) — есть отношение негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса — гравитационная (или, как её иногда называют, тяжёлая) — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Вообще говоря, эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть пропорциональными друг другу. Их строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела, как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными друг другу.

7.2 Кривизна пространства-времени

Если запустить из двух близких точек два тела параллельно друг другу, то в гравитационном поле они постепенно начнут либо сближаться, либо удаляться друг от друга. Этот эффект называется девиацией геодезических линий. Аналогичный эффект можно наблюдать непосредственно, если запустить два шарика параллельно друг другу по резиновой мембране, на которую в центр положен массивный предмет. Шарики разойдутся: тот, который был ближе к предмету, продавливающему мембрану, будет стремиться к центру сильнее, чем более удалённый шарик. Это расхождение (девиация) обусловлено кривизной мембраны.

 

Рисунок 7.2 - Девиация геодезических линий

Аналогично, в пространстве-времени девиация геодезических линий (расхождение траекторий тел) связана с его кривизной. Кривизна пространства-времени однозначно определяется его метрикой — метрическим тензором. Различие между общей теорией относительности и альтернативными теориями гравитации определяется в большинстве случаев именно в способе связи между материей (телами и полями негравитационной природы, создающими гравитационное поле) и метрическими свойствами пространства-времени.

7.3 Предсказания общей теории относительности. Гравитационные эффекты.

Первый из этих эффектов — гравитационное замедление времени, из-за которого любые часы будут идти тем медленнее, чем глубже в гравитационной яме. Непосредственно связанный с этим эффект — гравитационное красное смещение света. Гравитационное замедление времени влечёт за собой ещё один эффект, названный эффектом Шапиро (также известный как гравитационная задержка сигнала). Из-за этого эффекта в поле тяготения электромагнитные сигналы идут дольше, чем в отсутствие этого поля. Данное явление было обнаружено при радиолокации планет солнечной системы и космических кораблей, проходящих позади Солнца, а также при наблюдении сигналов от двойных пульсаров.

Искривление пути света происходит в любой ускоренной системе отсчёта. С 1919 года данное явление было подтверждено астрономическими наблюдениями звёзд в процессе затмений Солнца, а также радиоинтерферометрическими наблюдениями квазаров искривление траектории света более близкой массой приводит к искажению формы удалённого объекта, которое при малом разрешении наблюдения приводит, в основном, к увеличению совокупной яркости удалённого объекта, поэтому данное явление было названо линзированием.

 

Рисунок 7.2 - Самая известная ранняя проверка ОТО стала возможна благодаря полному солнечному затмению 1919 года. Артур Эддингтон показал, что свет от звезды искривлялся вблизи Солнца в точном соответствии с предсказаниями ОТО