Исследовательская работа Асманова Мурата "Тайны черных дыр"

Министерство образования, науки и молодежи Республики Крым

Малая академия наук «Искатель»

Направление: астрономия и устройство Вселенной

ТАЙНЫ ЧЕРНЫХ ДЫР

Работу выполнил: Асманов Мурат, обучающийся 2-б класса МБОУ «Солнечнодолинская средняя общеобразовательная школа» городского округа Судак Научный руководитель: Панова Дарья Владимировна, учитель начальных классов   МБОУ «Солнечнодолинская средняя общеобразовательная школа» городского округа Судак

г. Судак – 2016

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………	3
РАЗДЕЛ 1. Как формируются черные дыры?.........................................	5
РАЗДЕЛ 2. Свойства черной дыры...............……………………………	7
РАЗДЕЛ 3. Виды черных дыр................………………..........................	9
РАЗДЕЛ 4. Возможности использования энергии черных дыр в будущем.......................................................................................................	12
ВЫВОДЫ…………………………………………………………………	14
Список использованных источников…………………………………...	15
ПРИЛОЖЕНИЯ .........................................................................................	16
Приложение 1..............................................................................................	16
Приложение 2..............................................................................................	17

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. На уроках окружающего мира я узнал о Вселенной. Мне понравилось наблюдать за звездами. И я начал изучать все, что связано с космосом, ведь во Вселенной немало загадочных и недостаточно изученных объектов.

Одними из самых интересных и загадочных объектов космоса являются черные дыры. Пожиратели звезд, сгустки темной материи, обладатели энергии особого рода ‒ все эти наименования давали черным дырам авторы научных теорий, раскрывающих уникальные свойства данных необычных объектов.

О возможности существования чёрных дыр говорили многие известные учёные, в том числе Альберт Эйнштейн. Чёрные дыры своим названием обязаны американскому астрофизику Джону Уиллеру.

Тема «Тайны черных дыр» является одной из актуальнейших в современной астрономии, так как эти объекты помогают лучше понять устройство нашей Вселенной, а также позволят предположить, что будет с ней в будущем.

Гипотеза. У многих черные дыры вызывают страх, а я хочу показать красоту этого природного явления, чтобы люди поменяли свое отношение к нему и впоследствии научились использовать энергию этих объектов для хозяйственных нужд.

Целью работы ставлю раскрытие тайны существования черной дыры.

Задачи:

1.                Найти ответ на вопрос: что такое чёрная дыра;

2.                Познакомиться с возникновением, формированием, видами черных дыр;

3.                Расширить спектр наших знаний о загадках Вселенной.

4.                Проанализировать возможность использования энергии черных дыр в хозяйстве.

Объект исследования в работе – черные дыры. 

Предмет исследования ‒ пути формирования черных дыр и применения их энергии. 

В ходе написания работы я использовал такие методы:

·                   изучение литературы (энциклопедии, справочники);

·                   просмотр видеоматериалов;

·                   анализ Интернет-ресурсов.

Данная работа может быть использована на уроках окружающего мира, астрономии.

Продукт моей исследовательской деятельности – создание презентации о наиболее интересных фактах черных дыр. (Приложение 2)

РАЗДЕЛ 1. КАК ФОРМИРУЮТСЯ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ?

Звезды появляются, когда огромное облако пыли и газа, в основном водорода, образует плотное скопление. Это скопление вращается все быстрее и быстрее, из-за чего атомы сталкиваются друг с другом. Это столкновение атомов высвобождает огромное количество тепла, которое заставляет газ светиться. Облако газа, называемое протозвездой, продолжает сжиматься до тех пор, пока не станет звездой. Звезда светит миллионы лет до тех пор, пока внешний слой не начнет остывать, а звезда терять свою яркость – до полного угасания. Но иногда звезды умирают, взрываясь и порождая сверхновые звезды.

Когда массивная звезда находится на грани смерти, ее ядро разрушается, высвобождая огромное количество энергии, что приводит к большому взрыву. Этот взрыв называется сверхновым. Он посылает огромное количество света и вещества в космос. Во время взрыва звезда бывает в миллиарды раз ярче, чем Солнце. Затем остатки звезды постепенно сжимаются, образуя черную дыру.

Так вкратце можно объяснить возникновение черных дыр.

Здесь важно кое-что уточнить. Начнем с такого мнения, будто черные дыры пытаются нас всех засосать. У черной дыры всасывающей силы не больше, чем у обычной звезды, просто эта сила очень велика относительно ее собственных размеров.

Если бы наше Солнце внезапно превратилось в черную дыру, хотя это невозможно, но давайте представим, оно сохранило бы прежнюю массу, вот только диаметр с 1392000 километров сократился бы до 6,5 километра. На Земле стало бы темно и холодно, но орбита планеты осталась бы прежней. Солнце в новом виде притягивало бы нашу планету с той же силой, что и раньше.

Точно так же Земля, превратившись вдруг в черную дыру, сохранила бы прежнюю массу в шесть секстиллионов тонн, но сжалась бы до размеров глазного яблока. Луна осталась бы на своем месте.

Итак, черные дыры не засасывают.

Далее пойдет речь о времени. У него с черными дырами очень сложные отношения. По сути, время как таковое довольно причудливое понятие. Всем известна фраза «Время относительно». Это значит, что время не течет для всех с одинаковой скоростью. Эйнштейн обнаружил, что на него влияет сила притяжения.

Если вы расставите чрезвычайно точные часы на каждом этаже небоскреба, они будут идти с разной скоростью. Нижние этажи находятся ближе к центру Земли, где гравитация сильнее, и часы там будут тикать немножко медленнее, чем те, что располагаются на верхних этажах. Мы никогда этого не замечаем, потому что различия фантастически малы – лишние миллиардные доли секунды. Часы на GPS-спутниках специалисты настраивают так, чтобы они шли немного медленнее часов на поверхности Земли. В противном случае данные GPS были бы неточными.

Черные дыры с их невероятной силой притяжения можно считать машинами времени. Сядьте в ракету, летите к Sgr A*, центральной точке млечного пути. Подплывите как можно ближе к горизонту событий, но не пересекайте его. За каждую минуту, которую вы там проведете, на Земле пройдет тысяча лет. Сложно поверить, но это правда: гравитация побеждает время.

Что же будет, если пересечь горизонт событий? Сторонний наблюдатель не увидит, как вы проваливаетесь. Вы будете выглядеть застывшим на краю дыры, окаменевшим на целую вечность. Технически – не так долго, ибо ничто не вечно, даже черные дыры. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что эти объекты постепенно теряют массу – процесс называется излучением Хокинга – и за определенное количество времени должны полностью испаряться. Но в таком случае мы говорим о триллионах триллионов еще многих триллионов лет. Это достаточно долго, чтобы в отдаленном будущем черные дыры могли остаться единственными объектами в нашей Вселенной.

РАЗДЕЛ 2. СВОЙСТВА ЧЕРНЫХ ДЫР

Точное строение черных дыр, до сих пор неизвестно человечеству, но мнения о ее свойствах известны давно.

Черной дырой мы сегодня называем результат удивительнейшего природного явления – падения «внутрь самих себя» массивных небесных тел. (Рис. 2.1) На латыни collapsus означает «упавший», поэтому и черные дыры астрономы часто называют «коллапсарами». Им присущ такой сверхсильный «концентратор» поля тяготения, что ничто, включая свет, не может вырваться из них наружу.

 

Рис. 2.1

Исторически черным дырам предшествовали темные звезды, открытые британским астрономом Джоном Митчеллом (1724-1793). Основываясь на теории всемирного тяготения Ньютона, Митчелл описал такие звезды, сила притяжения которых удерживала даже лучи света. Естественно, что заметить такую абсолютно черную звезду было бы невозможно. Свои расчеты Митчелл изложил на одном из заседаний Лондонского королевского общества в 1784 году и сразу же попал под огонь критики. Ведь таких феноменов астрономия того времени не знала! (Рис. 2.2)

Рис. 2.2

Так идея темных звезд, или, как их сегодня называют, «ньютоновских» черных дыр, была надолго забыта. О ней вспомнили только в эпоху Альберта Эйнштейна (1879-1955 годы) и его теории всемирного тяготения. Теория Эйнштейна связала гравитацию с искривлением пространства и сразу же привлекла внимание многих физиков.

Его коллега по Берлинской академии наук Карл Шварцшильд (1873-1916) сумел показать, что иногда очень концентрированные гигантские массы могут образовывать как бы бездонную воронку пространства и времени.

Вблизи коллапсара Шварцшильда должны были бы происходить удивительные явления: сердце человека начинало бы биться все реже и реже, его часы – безнадежно отставать, а свет вокруг – краснеть. Сам поток времени замедлялся бы, вплоть до застывания вблизи условной границы черной дыры, как река в мороз. Ну а что же мы увидим в глубине космического провала коллапсара?

Увы, там происходят настолько странные явления, что их просто невозможно популярно описать.

РАЗДЕЛ 3. ВИДЫ ЧЕРНЫХ ДЫР

Чёрные дыры звёздных масс образуются как конечный этап жизни некоторых звезд. После полного выгорания термоядерного топлива и прекращения реакции звезда теоретически должна начать остывать, что приведёт к уменьшению внутреннего давления и сжатию звезды под действием гравитации. Сжатие может остановиться на определённом этапе, а может перейти в стремительный гравитационный коллапс. В зависимости от массы звезды и вращательного момента возможно превращение ее в черную дыру.

Условия (главным образом, масса), при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению. Различные модели дают нижнюю оценку массы чёрной дыры, получающейся в результате гравитационного коллапса, от 2,5 до 5,6 масс Солнца. Радиус чёрной дыры при этом очень мал – несколько десятков километров.

Рассмотрим виды черных дыр.

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.

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.

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, которая еще не создана. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра – планковская чёрная дыра. Её масса порядка 10^-5 г, радиус – 10^{-35 м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу.}

Даже если квантовые дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным. В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 10²⁶ эВ. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры. Однако по теории струн энергии требуется гораздо меньше и синтез можно осуществить.

Впоследствии (после возникновения) 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 скорости света, 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.

Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне.

РАЗДЕЛ 4. ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЧЕРНЫХ ДЫР В БУДУЩЕМ

В будущем человечество сможет использовать неограниченное количество энергии из черных дыр и миниатюрных аналогов.

                                               Рис. 4.1. Стивен Хокинг

Об этом рассказал британский физик-теоретик и космолог Стивен Хокинг: «Черная дыра массой с Солнце будет вырабатывать частицы излучения Хокинга с очень низкой скоростью, из-за чего его фактически будет невозможно обнаружить. Однако если черную дыру уменьшить до размеров горы, то тогда она будет вырабатывать рентгеновское и гамма-излучение с общей мощностью примерно в 10 миллионов мегаватт, чего хватит на питание электрических приборов всей Земли». (Рис.4.1)

Оказывается, в чёрных дырах есть так называемые невидимые парные частицы, которые бесконечно материализуются. Они двигаются и сталкиваются, тем самым уничтожая друг друга и выделяя энергию. У больших черных дыр эти процессы проходят достаточно медленно, а вот миниатюрные как раз подходят для производства электроэнергии. 

Но кроме этого, в случае неосторожного обращения с черной дырой, последняя может провалиться в эпицентр нашей планеты, что вызовет катастрофу глобального характера. Поэтому самым логичным решением данной проблемы будет являться содержание энергетического объекта где-то около орбиты Земли.

Если удастся создать случайную черную дыру и расположить её в параллельном измерении – оттуда можно будет в будущем черпать энергию.

Так как черных дыр такого размера найти пока не удалось, Стивен Хокинг полагает, что в будущем мы сможем создавать их сами, а «домом» для таких черных дыр могут стать «лишние» измерения пространства и времени.

ВЫВОДЫ

Итак, на мой взгляд, в рамках данной работы мне удалось сформировать понимание того, что такое чёрная дыра, как она образуется:

- я изучил литературу, систематизировал полученную информацию;

- познакомился с историей данного вопроса;

- рассмотрел виды черных дыр;

- создал презентацию с наиболее интересными фактами о черных дырах.

- выступил с сообщением перед обучающимися начальной школы на уроках окружающего мира;

- после этого организовал с учителем выставку рисунков на тему «Тайны черных дыр».

Черные дыры – совершенно удивительные объекты, не похожие ни на что известное до сих пор. Это дыры в пространстве и времени, возникающие из-за очень сильного искривления пространства и изменения характера течения времени.

Несмотря на весь прогресс, достигнутый в изучении черных дыр, они в какой-то мере остаются загадочными. Некоторые аспекты этой проблемы все еще вызывают интерес только для специалистов. Изучение чёрных дыр продолжается…

Поэтому в последующем я хочу продолжить свою работу по изучению этих интереснейших объектов, поскольку черные  дыры обладают огромной энергией, которую можно использовать для нужд человечества. (Приложение 1)

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Детская всемирная энциклопедия. Харьков: Издательский дом «Фактор», 2011. – 200 с.

Явления обычные и необычные. Популярная детская энциклопедия. – Х.: Синтекс, 2003. – 96 с. Серия «Окно в удивительный мир».

Интернет-ресурсы:

http://4stor.ru/strashno-interesno/10698-tayny-chernyh-dyr.html

http://www.nat-geo.ru/science/47866-tayna-chernykh-dyr/#full

http://taynimira.ru/solnechnaya-sistema/chyornaya-dyira.html

http://www.referats.pro/aviation/3842-chernye-dyry.html

http://biofile.ru/bio/21498.html

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

 

Фото Асманова Мурата с телескопом

«Взгляд во Вселенную»

Приложение 2