Тайны Черных дыр

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Исследовательская работа на тему:

Тайны Черных дыр

Шкиндеров Данила Алексеевич

Научный руководитель:

Учитель физике Школы №2100,

Шестакова Зоя Дмитриевна

Москва 2018

Аннотация

В данной исследовательской работе рассмотрена с разных сторон такая тема в астрономии и астрофизике, как Черные дыры. Её значение в современной науке, актуальность этой темы, использование этих объектов в будущем на благо общества. Несмотря на широту темы, в этой работе все обобщено и логически разделено на небольшие главы, для большего понимания и структуризации информации о Черных дырах.

Введение

Целью этой работы является в первую очередь исследование Черных дыр, а точнее информации о их свойствах, явлениях и т.д., обобщение, структурирование и объединение всей этой информации в одно исследование. Также перед этой работой стояла задача понимания, то есть написание всей информации понятным языком для большинства. И несмотря на все это, стояла и гипотеза о том, что Черные дыры можно будет в будущем использовать, и, если забегать вперед, то эта гипотеза оказалась верна. И это значит, что само исследование теперь имеет и практический смысл и, конечно, актуальность.

Материалы и методы:

Материалы:

Данные в интернете, которые были основаны на исследованиях Шварцшильда, Керра, Ньюмена, Хокинга и других ученых, изучавших Черные дыры.

Методы:

Изучение, анализ, обобщение и синтез.

Определение, строение и жизненный цикл Черных Дыр

Стоит для начала сказать, что Черные Дыры (далее ЧД) - очень интересные объекты для исследования, со своими свойствами, которые можно будет использовать в будущем. Именно это и является причиной выбора мною темы, связанной с ЧД. Также немаловажно, что ЧД, совсем недавно, бывшие гипотетическими объектами, стали ощутимы и реальны, поскольку их существование было доказано вместе с существованием гравитационных волн в 2016 году, и теперь исследование ЧД имеет больший смысл.

Определение:

Определение ЧД обычно такое: ЧД - это область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Именно по этой причине они и черные; ЧД поглощают весь свет, летящий около них, и тем самым приобретают цвет, не отражающий фотоны, то есть черный.

Жизненный цикл:

Для рождения ЧД нужна звезда в конце своего жизненного цикла. При «смерти» звезды, в большинстве случаев, оболочка разлетается, а оставшееся ядро коллапсирует. Коллапс - это быстрое сжатие под воздействием гравитационных сил. Он, обычно, приводит к трем сценариям:

1) Если масса коллапсирующего ядра меньше 1.4 массы Солнца, оно превращается в белый карлик, плотную звезду, размером, примерно с Землю. Жизненный цикл белых карликов очень велик, превышающий 10-ки миллиардов лет.

2) Если масса коллапсирующего ядра больше 1.4 массы Солнца, гравитационных сил хватает для появления нейтронной звезды, сверхплотного тела, состоящего из нейтронной сердцевины и покрывающего слоя из атомных ядер и электронов, толщиной в 1 км. Часто размеры нейтронной звезды не превышают размеров Москвы, с радиусом 10-20 км.

3)А также, если масса получившейся нейтронной звезды больше предела Оппенгеймера-Волкова (в честь физиков: Роберта Оппенгеймера и Джорджа Майкла Волкова), то есть, приблизительно 3 масс Солнца, то она продолжает коллапсировать до ЧД.

И как видно из сценариев, именно при реализации третьего образуется ЧД.

Так же есть второй способ образования ЧД, постепенное «сгущение» полевых облаков, находящихся обычно в центре галактик, под воздействием гравитационных сил. В результате этого способа образуются сверхмассивные ЧД, массой в тысячи масс Солнца.

Как и у звёзд, у ЧД есть свой период «активной жизни». Во время него ЧД поглощают вещество из их собственного акреционного диска, включающего в себя, преимущественно пыль, газ и звёзды. Таким образом ЧД наращивают свою массу. Но в течение жизни они ещё и излучают гипотетическое излучение Хокинга, которое настолько мало, что его запросто восполняет постоянное поглощение вещества.

Гораздо более значительным является квантовое испарение ЧД. По законам классической физики, ни у одной частицы, находящейся за горизонтом событий недостаточно энергии для вылета из ЧД, поскольку количество этой энергии должно быть бесконечным. Но по законам квантовой механики некоторой группе частиц можно выйти из ЧД. Это излучение, превращающееся в тепловое и проходящее очень долго, даже по космическим меркам, приводит к уменьшению массы и размеров ЧД.

По мере уменьшения ЧД, её температура и плотность, напротив, растут. И когда масса ЧД достигает 1 млн кг, происходит взрыв огромной энергии, которая за доли секунды превращается в излучение. 

Строение:

Есть всего два типа строения ЧД. Оба они являются возможными, но на сегодняшний момент общепризнанными:

1) Первый тип относится к ЧД, которые возникли в результате коллапса нейтронных звезд. Первым слоем лежит акреционный диск из пыли, газа и вещества звёзд. За ним следует горизонт событий, попав в который, любая частица не сможет выйти обратно (по законам классической физики). Далее находится вещество ЧД, а после, в самом центре, точка с бесконечной плотностью - сингулярность.2) Второй тип относится к ЧД, возникшим из пыли и газа, в центрах галактик. У ЧД этого типа, такое же строение, как и у 1-ого, но сами слои шире (поскольку ЧД - сверхмассивные), а также из точек, перпендикулярных плоскости акреционного диска, вылетают струи газа и пыли.

Физические явления, проходящие около ЧД и их объяснения:

Изучив жизненный цикл и строение ЧД, ученые со всех уголков мира стали строить различные гипотезы о свойствах этих необычных объектов. В этом разделе я расскажу о некоторых из этих свойств, которые уже доказаны.

Гравитационная линза:

При «просмотре» ЧД, первое, что попадается на глаза, это эффект, под названием, гравитационное линзирование, отклонение электромагнитных волн, под воздействием гравитационного поля. У каждого тела своя гравитационная линза, зависящая, в большинстве своём, от формы. У ЧД, которая имеет сферическую форму, обычно, образовывается окружность по всему периметру её «оптической границы»

Явление гравитационного линзирования предсказывалось ещё в ньютоновской механике и угол отклонения фотона вычислялся по формуле:

,

где a - угол отклонения, M - масса тела, G - гравитационная постоянная, R - прицельное расстояние, т.е. расстояние от центра тела (если оно однородное и приближено к сферическому) до ещё нетронутого луча света, а c - скорость света. Но в 20 веке выражение выше было удвоено, поскольку, исходя из появившейся ОТО и последующих наблюдений гравитационных линз, было выявлено, что угол отклонения луча света ровно в два раза больше, чем можно высчитать с помощью данной выше формулы.

Гравитационное замедление времени:

В будущем, если люди смогут долететь до ЧД или других массивных тел, при все большем приближении к объекту исследования, они начнут замечать замедление времени (в этой исследовательской работе, я не буду углубляться в то, как это можно заметить); для них может пройти всего пару часов, в то время, как для неподвижного наблюдателя могут пролететь года и более.

Ещё из уравнений СТО и ОТО, а также своих умозаключений, Эйнштейн понял, что, чем больше гравитационный потенциал, тем больше эффект замедления времени. Гравитационный потенциал - это скалярная величина (функция), описывающая гравитационное поле. Зная формулу для вычисления ГП точечной частицы (также эта формула подойдёт для сферической массы),

,

где - ГП, G - гравитационная постоянная, M - масса, а R - расстояние до массы, мы можем понять, что чем больше масса и меньше расстояние до объекта, тем сильнее будет эффект замедления времени. Это утверждение полностью верно для идеально сферической, т. е. не вращающейся ЧД, поскольку формула выше верна только для точечной и сферической материи.

Также из формулы выше можно установить ещё один интересный феномен. Если внимательно изучить её, видно, что, чем меньше расстояние, тем больше ГП. Тогда, ясно, что, находясь на горизонте событий, где R = 0, ГП будет бесконечно велик, следовательно и замедление времени будет бесконечно велико. То есть время на наших «воображаемых часах», во время нахождения непосредственно на горизонте событий ЧД, для наблюдателя, находящегося далеко от массивных тел, просто остановилось бы!

Увлечение пространства:

Увлечение пространства или эффект Лензе - Тирринга - это явление в общей теории относительности, наблюдаемое исключительно вблизи вращающихся массивных тел. То есть, говоря об этом эффекте, мы должны учитывать, что оно не происходит даже у самых массивных, но не вращающихся ЧД. Но что же это в сущности?

На самом деле это явление похоже на ускорение, и соответственно, силу Кориолиса, одну из сил инерции, использующуюся при рассмотрении движения материальной точки относительно вращающейся системы отсчёта. Но отличие в том, что в ньютоновской механике эта сила зависит только от угловой скорости, а в формуле увлечения пространства появляются дополнительные компоненты.

Но раз эффект Лензе - Тирринга, похож на ускорение Кориолиса, то и выглядеть он будет похоже, а именно, в виде прецессии, изменения направления момента импульса плоскости орбиты пробной массы, обращающейся вокруг массивного вращающегося тела, а в нашем случае вращающейся ЧД. На бытовом уровне, это можно представить, как замедляющуюся юлу, которая начинает вращаться ещё и осью.

Спагеттификация: 

Помимо описанных выше явлений, во время приближения к ЧД, будущие исследователи начнут чувствовать некую странную силу, которая «растягивает» их в разные стороны. И, к сожалению, при всё большем и большем приближении к ЧД, эта сила может привести к смерти. Как же она возникает?

Если вспомнить знаменитую формулу Всемирного тяготения: 

,

где F - сила тяготения, G - гравитационная постоянная, M1 и M2 - массы двух взаимодействующих тел и R - расстояние, то можно увидеть величину R, которая, как видно из формулы, является расстоянием. Но ведь, ни один объект из макромира не точечен.

Из этого следует, что каждое тело состоит или скорее имеет множество точек, а каждая точка имеет собственное расстояние до другого массивного объекта, так как тела имеют некоторую длину, а из-за этого и разную силу притяжения. 

Понятно, что при малой массе второго объекта и достаточной удаленности от него, спагеттификация малозаметна. Но при такой огромной массе, как у ЧД возникают большие силы «растягивания», или как их часто называют, приливные силы. Получается, чем больше приливная сила, тем и больше спагеттификация.

Теории о ЧД:

Несмотря на различные факты о ЧД, присутствуют и теории, гипотезы о них и их создании, которые ещё ждут своего доказательства или опровержения в научном мире. И вот некоторые из них.

Наша Вселенная - это Черная дыра:

Над этой удивительной гипотезой ученые всего мира думают не одно десятилетие. Несмотря на свою «кажущуюся на первый взгляд абсурдность», эта, уже не новая теория довольно серьезно рассматривается физиками, и тем более космологами. Чем же она так привлекательна?

Во-первых, теория о том, что наша Вселенная может быть ЧД, может ответить на некоторые вопросы, на которые не может ответить теория Большого Взрыва: что спровоцировало Большой Взрыв? Или, каков источник темной материи?

А во-вторых, эту теорию можно подстроить под нашу Вселенную. И если мы представим, что эта гипотеза верна, то различные хар-ки ЧД будут относится к целой Вселенной. К примеру, радиус Шварцшльда, расстояние от сингулярности до Горизонта Событий будет радиусом Вселенной, а также у нашей Вселенной будет и «родительская» Вселенная, в которой и образовалась сверхмассивная ЧД.

Конечно, многие, неизучившие эту теорию и теорию ЧД будут говорить, что наша Вселенная не может быть ЧД из-за очень низкой плотности. Но этот аргумент неправилен, так как, чем больше масса ЧД, тем ниже её плотность. Плотность ЧД, находящихся в центрах галактик, вообще могут иметь плотность ниже плотности воздуха на Земле! И это происходит, потому что масса ЧД нарастает линейно, а её объем кубически. И возможно ЧД с массой нашей Вселенной может иметь и сверхнизкую плотность нашей Вселенной.

Черные дыры - это Кротовые норы:

Эта теория появилась ещё в начале 20 века. И как не странно, была создана Эйнштейном в частности, и с того времени называется, «Мост Эйнштейна - Розена». Также, довольно понятно, что такое предположение вышло из решения уравнений ОТО

Этот мост, который, в последствии стали называть червоточиной, от англ. wormhole, выглядит просто, а именно, в виде соединения двух точек пространства-времени. Но несмотря на привлекательные возможности этой червоточины, она является непроходимой. Это значит, что она схлопывается быстрее, чем луч света бы пролетел через неё. А так как червоточина это искривление пространства, то она и может схлопываться быстрее скорости света. Также, основоположники этой теории заявили, что на двух концах гипотетического моста должны находится два абсолютно противоположных по всем хар-кам объекта, чёрная дыра и белая дыра.

Белая дыра:

В предыдущей теории в конце было сказано о появлении пары: чёрной и белой дыры, но белые дыры также являются отдельной теорией. Белая дыра - это гипотетический физический объект, в область которого ничто не может войти, и, соответственно, она является временной противоположностью чёрной дыры.

Предполагается, что белые дыры могут образовываться при выходе из-за горизонта событий вещества чёрной дыры, находящейся в обратном направлении термодинамической стрелы времени, то есть в противоположном течении времени. И если учесть этот факт, то и белая дыра описывается уже упомянутой ОТО. Стоит сказать, что в эту теорию не верит большинство физиков, а те, которые верят пока что не понимают процесса образования белых дыр, кроме как сразу после Большого взрыва, а также неизвестен механизм поиска белых дыр, в отличие от чёрных дыр.

Полное решение Керра содержит как чёрную, так и белую дыру. Керровская белая дыра образуется в одной вселенной при образовании чёрной дыры в другой. То есть белые дыры образуются попарно с чёрными, что похоже на рассуждения на счёт моста Эйнштейна - Розена.

История изучения ЧД

Конечно, для получения всей информации для этого исследования, нужно было изучать материалы из различных источников. Но их бы не было без ученых, которые тратили свою жизнь на изучение такого интересного объекта, как ЧД. Именно о них и их исследованиях будет сказано в этом разделе.

Черная дыра Мичелла:

Несмотря, на кажущуюся экзотичность ЧД и их якобы современное изучение, первую модель этих объектов создал Джон Мичелл, ещё в конце 18 века, в то время, когда ещё не существовало СТО и ОТО и вместо них была ньютоновская механика, а ученые только познавали тайны эликтричества и магнетизма. Сама идея была высказана в письме Королевскому обществу, в 1784 году, а позже и перекочевала в труды Лапласа, «Exposition du Systeme du Monde», из-за чего получила некоторую известность.

Мичелл, при описании ЧД думал так:

«Исходя из теории ньютоновского поля тяготения частиц и закона сохранения энергии,

, то есть

, и если, ,

, где,

- гравитационный радиус, показывающий, какой радиус должен быть у объекта с массой , чтобы его вторая космическая скорость, скорость с которой нужно улететь с объекта для преодоления его гравитации, была равна скорости света. Для тела с плотностью Солнца, этот радиус равен 500 солнечным.»

Но, к сожалению, в то время скорость света не считалась фундаментальной, и эта, первая теория ЧД, в последствии не прижилась.

Новые теории:

Как не странно, в 19 веке, ЧД не интересовались ученые, по уже вышесказанной причине.

Но с появлением электродинамики Маквелла и преобразований Лоренца, скорость света стала считаться предельной скоростью, с которой может двигаться тело, обладающее массой. С этого момента значение ЧД в физике сильно выросло. Разные ученые придумывали разные теории. Но самых главных всего 4.

Решение Шварцшильда:

Первой успешной теорией ЧД, была теория, сложившаяся в результате изучения Шварцшильдом этих интересных объектов, она описывала характеристики незаряженных, невращающихся и идаельно сферических ЧД.

Именно Шварцшильд возродил идею Мичелла о гравитационном радиусе, который сейчас называют радиусом Шварцшильда, но несмотря на новые СТО и ОТО формула осталась такая же,

черная дыра гравитационный линзирование

.

Также Шварцшильд описал уравнение для вычисления плотности ЧД,

,

в котором, упрощенно, делится масса ЧД на её объем, заключенный за горизонтом событий.

Следующие два решения связаны с заряженными и невращающимися ЧД, а также с незаряженными, но вращающимися ЧД. Последняя теория всё это свзывает.

Решение Керра-Ньюмена:

Это решение, является наиболее общим и развернутым для ЧД, поскольку оно может описать и вращающуюся и заряженную ЧД. И на данный момент именно им чаще всего пользуются для описания этих объектов.

Само решение довольно сложное и трехпараметрическое, и в отличие от Шварцшильдовского в виде параметра не имеет только массу. Но есть и довольно простой и важный вывод из сложного уравнения: масса, эликтрический заряд и угловой момент ЧД взаимосвязаны, и не могут быть абсолютно любых значений. Есть и ограничения. Они представлены в этой формуле:

, где

- угловой момент, - электрический заряд, а - масса ЧД.

Если эти ограничения нарушатся, горизонт событий исчезнет, и решение вместо чёрной дыры будет описывать так называемую «голую» сингулярность, но такие объекты, согласно распространённым убеждениям, в реальной Вселенной существовать не должны (согласно пока не доказанному, но правдоподобному принципу космической цензуры). Голая сингулярность - гипотетическое понятие общей теории относительности, обозначающее гравитационную сингулярность без горизонта событий.

Результаты

Несмотря на относительную новизну теории о Черных дырах, многое уже изучено и сформулировано, и у нас, в 21 веке, уже на слуху это словосочетание, но какие-то полвека назад это считалось выдумкой и фантастикой. Из этого, например, теперь известно, что Черные дыры можно будет использовать в будущем, как машину времени и совершенную энергетическую установку. Хотя и нельзя думать, что все уже изучено, ведь Черные дыры - это загадочные объекты, задачи, связанные с которыми, еще предстоит решить.

Анализ полученных результатов:

Написав эту исследовательскую работу я не на секунду не пожалел об этом. Ведь теперь каждый сможет прочитать мою работу, в которой собраны и структурированы основные факты о Черных дырах. Также немаловажно, что моя гипотеза подтвердилась, и Черные дыры и вправду можно будет использовать в будущем. Это придает работе не только исследовательский, но и практический смысл.

Вывод

Черные дыры - очень интересные объекты для изучения. У них есть свои строения и жизненный цикл. Также около этих массивных объектов проходят различные физические явления, которые можно будет использовать в будущем, такие как замедление времени. Но несмотря на факты, есть и теории, которые очень даже могут стать реальностью. Если это будет так, то эти свойства тоже можно будет использовать, например, кротовые норы для путешествия в пространстве-времени. Все это подтверждает, что Черные дыры можно и нужно изучать.

Размещено на Allbest.ru