Чорні діри (9) - реферат, сторінка 1

Вступ. Що таке чорні діри. Перші гіпотези і припущення.

У сучасній науці чорною дірою прийнято називати область простору-часу, в якій гравітаційне поле (тяжіння) настільки сильно, що жоден об'єкт (навіть випромінювання) не може вирватися з неї. Назва ж «чорна діра» ввів в ужиток в 1968 році американський фізик Джон Уілер (John A. Wheeler) в своїй статті про ці дивовижні небесних об'єктах. Новий термін відразу став популярний, замінивши собою використовувалися до того назви «коллапсар» і «застигла зірка». Щоб глибше зрозуміти, що ж це таке, повернемося ненадовго за часів великого фізика Ісаака Ньютона, який відкрив закон всесвітнього тяжіння. Геніальний здогад вченого дозволила вивести закон про універсальну силі, дії якої схильне абсолютно все: поле тяжіння діє не тільки на об'ємні тіла, які притягуються один до одного, але на мікрочастинки і навіть на світло. Це дуже важливий момент, найрадикальнішим чином пов'язаний з вивченням властивостей чорних дір. Першим, хто допустив існування невидимих ​​зірок, був вчений 18-19 століть П'єр Симон Лаплас (1749 - 1827), знаменитий тим, що створив теорію утворення планет Сонячної системи з розрядженою матерії (хмари). Про невидимих ​​зірках Лаплас вперше написав у 1795 році. Керуючись законом всесвітнього тяжіння, він прийшов до висновку, що зірка з щільністю, рівною щільності Землі і діаметром в 250 разів більше діаметра Сонця, не дає жодному світлового променя досягти нас через свого тяжіння; тому можливо, що найяскравіші небесні тіла у Всесвіті виявляються з цієї причини невидимими.

Дійсно, чим більше космічне тіло, тим більшу швидкість потрібно набрати, щоб назавжди покинути його. Ця швидкість називається другою космічною, і для Землі дорівнює 11 км / сек. Але друга космічна швидкість тим більше, чим більше маса і чим менше радіус небесного тіла, тому що зі збільшенням маси тяжіння збільшується, а з ростом відстані від центру воно слабшає. На Сонці 2-а космічна швидкість дорівнює 620 км / сек, але на його поверхні. Якщо ж уявити, що Сонце стиснули до радіусу 10 кілометрів, залишивши при цьому масу колишньої, то 2-а космічна швидкість збільшиться до половини швидкості світла або 150 тисяч кілометрів на секунду! Значить, якщо радіус Сонця зменшувати ще далі (залишаючи масу незмінною), то настане такий момент, коли друга космічна швидкість досягне світловий або 300 000 км / сек! Лаплас, звичайно, не брав до уваги стиснення небесних тіл, що грає найважливішу роль в утворенні чорних дір, але він дозволив зрозуміти головне: небесне тіло, на поверхні якого друга космічна швидкість перевищує швидкість світла, стає невидимою для стороннього спостерігача, інакше, світло намагається вирватися в простір, але гравітація не дозволяє йому цього зробити, і з боку ми можемо бачити лише чорне пляма в космосі, простіше кажучи, якусь «діру». Подібні висновки були зроблені сучасником Лапласа англійським геологом Дж. Мічелл в 1783 році, але його праці менш відомі.

Такою була перша теорія, яка говорила про те, що можуть існувати невидимі небесні тіла, які в реальності існують, але не можуть бути спостережувані з Землі з причини відсутності випромінювання від них. Все це здавалося переконливим до того, як науковий світ не познайомилося на початку 20 століття з теорією ще одного великого фізика - Альберта Ейнштейна. Переконливість Лапласа і Мітчела все ж була хиткою по тій простій причині, що в їх часи ще не знали, що швидкості вище швидкості світла в природі просто не існує. Загальна теорія відносності дозволила зробити великий крок до визначення чорної діри в сучасному її розумінні. Щоб зрозуміти суть відмінності між тяжінням по Ньютону і тяжінням по Ейнштейну, повернемося до досвіду зі стисненням Сонця. Закон Ньютона говорить, що при стисненні вдвічі гравітація зростає вчетверо, але Ейнштейну вдалося блискуче довести, що гравітація буде рости швидше, і чим далі ми стискаємо тіло, тим швидше зростатиме гравітація. Якщо слідувати ньютоновскому тяжінню, то гравітація стане нескінченно великою, якщо радіус стане рівним 0. Ейнштейн ж знайшов, що тяжіння стає нескінченним при так званому гравітаційному радіусі небесного тіла. Сфера описуються таким радіусом, називається також сферою Шварцшильда. Інакше, тіло не стиснеться в точку, воно буде мати певні розміри, але гравітацію, яка прагне до нескінченності. Гравітаційний радіус безпосередньо залежить від маси небесного тіла.

Гравітаційне поле чорних дір настільки сильно, що якби якимось шляхом вдалося опинитися поблизу чорної діри і направити в бік від її поверхні промінь самого потужного прожектора, то побачити цей прожектор було б не можна навіть з відстані, що не перевищує відстань від Землі до Сонця. Дійсно, навіть якщо б ми змогли сконцентрувати весь світло Сонця в цьому потужному прожекторе, ми не побачили б його, так як світло не зміг би подолати вплив на нього гравітаційного поля чорної діри і залишити її поверхню. Саме тому така поверхня називається абсолютним горизонтом подій. Вона являє собою кордон чорної діри.

Таким чином, чорні діри - тіла нескінченно великої щільності. Сутність даного феномена полягає в тому, що інтенсивність гравітаційної взаємодії тіл визначається їх масою, все ж інші відомі види їх взаємодії від маси не залежать. Це означає, що якщо кількість частинок речовини в деякій області простору перевищить певне критичне значення, то гравітаційні сили будуть превалювати над усіма іншими, а внаслідок того, що гравітаційні сили є завжди силами тяжіння, дане тіло буде стискатися. Після того як відкрили нейтрони, це допомогло дізнатися кінцеву долю важких зірок: величезне тяжіння "вдавлює" вільні електрони в протони, і виникають електрично нейтральні частинки - нейтрони. Народжується нейтронна зірка, речовину якої має неймовірну щільність. Шматочок такої матерії розміром з кубик пиляного цукру важить один мільярд тонн, а нейтронна піщинка зрівноважила б потужний електровоз. Оскільки ж простір-час в загальній теорії відносності передбачається безперервним, то цьому стисненню не можна покласти ніякого обгрунтованого межі. У підсумку, згідно з цією теорією виходить, що таке тіло повинно стиснутися в точку, при цьому інтенсивність гравітаційних полів поблизу нього зростає до нескінченності, а простір скривиться настільки, що повністю замкнеться, швидкість же, необхідна для того щоб покинути межі цього скупчення, може скільки завгодно перевищити швидкість світла, а значить, ні одна частинка речовини і жоден квант випромінювання не зможе вже цього зробити, тобто утворюється об'єкт, здатний поглинати в себе будь-яку кількість будь-якої матерії і нічого не випускат назад. Так, будь-яке тіло, що впало на поверхню такого об'єкта, буде дійсно поглинена їм безповоротно внаслідок того, що складові це тіло баріони-вакансії під дією потужних сил тяжіння зіллються з міхуром, в результаті чого тіло втратить будь-яку індивідуальність і відособленість.

Всі чорні діри притягують газ з навколишнього простору, і спочатку він збирається в диск біля неї. Від зіткнень часток газ розігрівається, втрачає енергію, швидкість і починає по спіралі наближатися до чорної діри. Газ, нагрітий до декількох мільйонів градусів, утворює вихор, що має форму воронки. Його частинки мчать зі швидкістю 100 тисяч кілометрів на секунду. Зрештою вихор газу доходить до "горизонту подій" і навіки зникає в чорній дірі. Оскільки ж мінімальна швидкість, необхідна для того щоб піти від цієї "діри", буде менше швидкості світла, то будь-який предмет, що не впав безпосередньо на її поверхню, матиме шанс залишити її межі. При падінні речовини на поверхню чорної діри, повинно виникати рентгенівське випромінювання внаслідок великої інтенсивності гравітаційних полів навколо нього.

Освіта чорних дір.

Як і всі тіла в природі, зірки не залишаються незмінними, вони народжуються, еволюціонують, і нарешті "вмирають".

Якщо маса зірки в два рази перевищує сонячну, то до кінця свого життя зірка може вибухнути як наднова, але якщо маса речовини, що залишився після вибуху, все ще перевершує дві сонячні, то зірка повинна стиснутися в крихітне щільне тіло, так як гравітаційні сили цілком придушують всяке внутрішній опір стисненню.

У 1939р. Р. Оппенгеймер і його аспірант Снайдер в Каліфорнійському університеті (Берклі) займалися з'ясуванням остаточної долі зірки, що вибухнула. Одним з найбільш вражаючих наслідків загальної теорії відносності Ейнштейна виявилося наступне: коли велика маса починає коллапсировать, цей процес не може бути зупинений і маса стискається в чорну діру. Якщо, наприклад, не обертається симетрична зірка починає стискатися до критичного розміру, відомого як гравітаційний радіус, або радіус Шварцшильда (названий так на честь Карла Шварцшильда, якої першим вказав на його існування). Якщо зірка досягає цього радіусу, то вже ніщо не може перешкодити їй завершити колапс, тобто буквально замкнутися в собі. Суворе математичне рівняння показує, що для тіла з масою Сонця гравітаційний радіус дорівнює майже 3 км, тоді як для системи, що включає мільярд зірок, - галактики - цей радіус виявляється рівним відстані від Сонця до орбіти планети Уран, тобто становить близько 3 млрд. Км .

Зовнішня будова чорної діри

Чорна діра має зовнішнім гравітаційним полем, властивості якого визначаються масою, моментом обертання і, можливо, електричним зарядом, якщо коллапсирующая зірка була електрично заряджена. На великих відстанях поле чорної діри практично не відрізняється від полів тяжіння звичайних зірок, і рух інших тіл, взаємодіючих з чорною дірою на великій відстані, підкоряється законам механіки Ньютона.

Як показують розрахунки, у що обертається чорної діри поза її поверхні повинна існувати область, обмежена поверхнею статичного межі, тобто ергосфера. Сила тяжіння з боку чорної діри, діюча на нерухоме тіло, поміщене в ергосферу, звертається в нескінченність. Однак ця сила кінцева. Будь-які частинки, що опинилися в ергосфери, будуть обертатися навколо чорної діри. Наявність ергосфери може привести до втрати енергії обертається чорної діри. Це можливо, зокрема, в тому випадку, якщо якийсь тіло, влетівши в ергосферу, розпадається (наприклад, в результаті вибуху) біля поверхні чорної діри, на дві частини, причому одна з них продовжує падіння на чорну діру, а друга вилітає з ергосфери . Параметри вибуху можуть бути такими, що енергія вилетіла з ергосфери частини більше енергії колишнього тіла. Додаткова енергія при цьому черпається з енергії обертання чорної діри. Зі зменшенням моменту її обертання поверхню статичного межі зливається з поверхнею чорної діри і ергосфера зникає. Швидке обертання коллапсірующая тіла перешкоджає утворенню чорної діри внаслідок дії сил обертання. Тому чорна діра не може мати момент обертання більший деякого екстремального значення.