Логотип Инфоурока

Получите 30₽ за публикацию своей разработки в библиотеке «Инфоурок»

Добавить материал

и получить бесплатное свидетельство о размещении материала на сайте infourok.ru

Инфоурок Астрономия Другие методич. материалыНаучная работа по астрономии "Проблематика изучения и использования черных дыр" автор Лайок Олег (11 класс)

Научная работа по астрономии "Проблематика изучения и использования черных дыр" автор Лайок Олег (11 класс)

Скачать материал
библиотека
материалов





Министерство образования и науки Российской Федерации.

Муниципальное Образовательное Учреждение «Гимназия №5» г. Рязани



Реферат по физике



Проблематика изучения и использования черных дыр











Выполнил: Ученики 11А класса

Лайок Олег

Научный руководитель: Крючкова Ольга Николаевна







Рязань, 2019 г.



Введение

Космос… Вглядываясь в темные глубины вселенной люди с древнейших времен люди стремились познать его тайны. Где именно мы живем? Что находится вокруг нашей планеты? По каким правилам существует вселенная? На эти и другие вопросы ученые тысячелетиями искали ответы. Сейчас же мы живем в эру стремительного развития технологии и науки в целом, а потому мы можем ответить на большинство вопросов, которые когда-либо задавало человечество. Однако с каждым годом ученые находят еще больше нерешимых загадок и парадоксов, строят теории, чтобы объяснить, казалось бы, необъяснимое, открывают новые темные уголки нашего мира. И именно в астрофизике этим вопросы стоят как нельзя острее.

Ввиду огромных расстояний до самых интересных космических объектов и недостаточно развитых технологий человечество пока не может заглянуть в каждый уголок вселенной. С помощью сложнейших математических расчетов, основанных на тех «крупицах» полезной информации, которую мы получаем из космоса, создаются гениальных физические теории и гипотезы, стремящиеся ответить на главные вопросы современности: как родилась вселенная, как она устроена и какой конец ее может ждать. Исследуя звезды, пожалуй, самые «наглядные» объекты в космосе, ученые начинают постепенно понимать, какие ответы на поставленные вопросы они могут предоставить. Но вместе с этим они открывают такие объекты, которые заставляют пересмотреть все преставление не только о вселенной, но и о фундаментальных законах физики в целом. Эти объекты называют черными дырами. Являясь одной из самых известных и таинственных загадок вселенной, обсуждаемых учеными со всего мира вот уже на протяжении почти 50 лет, черные дыры представляют огромных интерес для человечества. Именно поэтому главными целями данной работы стали:

  1. Изучение природы и происхождения черных дыр

  2. Описание проблем которые стоят перед учеными при исследовании черных дыр и парадоксов которые они порождают

  3. Сравнение практических способов получения энергии из черных дыр

Содержание



  1. Введение

  2. История

  3. Рождение черных дыр

  4. Виды и структура черных дыр

  5. Что происходит около черных дыр? (Излучение Хокинга, Спагеттификация)

  6. Что происходит внутри черных дыр?

  7. Проблема описания черных дыр

  8. Использование черных дыр как источника энергии

  9. Процесс Блэнфорда — Знаека

  10. Процесс Пенроуза

  11. Использование сверхизлучения

  12. Актуальные проблемы изучения черных дыр

  13. Принцип космической цензуры

  14. Информационный парадокс Хокинга

  15. Кротовые норы

  16. Заключение

  17. Список используемой литературы и интернет ресурсов

















История



Концепция массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, необходимая для преодоления этого притяжения (вторая космическая скорость), равна или превышает скорость света, впервые была высказана в 1784 году Джоном Мичеллом, английским естествоиспытателем, в письме, которое он послал в Королевское общество. Письмо содержало расчёт, из которого следовало, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым. Мичелл предположил, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов. В 1796 году Пьер Симон Лаплас включил обсуждение этой идеи в свой труд «Exposition du Systeme du Monde». Он сделал предсказание: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца не дает ни одному лучу достичь нас из-за своего тяготения, поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Однако в последующих изданиях этот раздел был опущен. Тем не менее, именно благодаря Лапласу эта мысль получила некоторую известность.

На протяжении XIX века идея тел, невидимых вследствие своей массивности, не вызывала большого интереса у учёных. Это было связано с тем, что в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. Однако в конце XIX — начале XX века было установлено, что сформулированные Дж. Максвеллом законы электродинамики, с одной стороны, выполняются во всех инерциальных системах отсчёта, а с другой стороны, не обладают инвариантностью относительно преобразований Галилея. Это означало, что сложившиеся в физике представления о характере перехода от одной инерциальной системы отсчёта к другой нуждаются в значительной корректировке.

В ходе дальнейшей разработки электродинамики Г. Лоренцем была предложена новая система преобразований пространственно-временных координат (известных сегодня как преобразования Лоренца), относительно которых уравнения Максвелла оставались инвариантными. Развивая идеи Лоренца, А. Пуанкаре предположил, что все прочие физические законы также инвариантны относительно этих преобразований.

В 1905 году А. Эйнштейн использовал концепции Лоренца и Пуанкаре в своей специальной теории относительности (СТО), в которой роль закона преобразования инерциальных систем отсчёта окончательно перешла от преобразований Галилея к преобразованиям Лоренца. Классическая (галилеевски-инвариантная) механика была при этом заменена на новую, Лоренц-инвариантную релятивистскую механику. В рамках последней скорость света оказалась предельной скоростью, которую может развить физическое тело, что радикально изменило значение чёрных дыр в теоретической физике.



Однако ньютоновская теория тяготения (на которой базировалась первоначальная теория чёрных дыр) не является лоренц-инвариантной. Поэтому она не может быть применена к телам, движущимся с околосветовыми и световой скоростями. Лишённая этого недостатка релятивистская теория тяготения была создана, в основном, Эйнштейном (сформулировавшим её окончательно к концу 1915 года) и получила название общей теории относительности (ОТО). Именно на ней и основывается современная теория астрофизических чёрных дыр.

По своему характеру ОТО является геометрической теорией. Она предполагает, что гравитационное поле представляет собой проявление искривления пространства-времени. Связь искривления пространства-времени с характером распределения и движения заключающихся в нём масс даётся основными уравнениями теории — уравнениями Эйнштейна.

Само название «черная дыра» появилось в 1968 году. Его в популярной статье ввел Джон Уиллер, американский физик-теоретик , и оно мгновенно прижилось, заменив собой использовавшиеся до того термины «коллапсар» или «застывшая звезда».

























Рождение черных дыр

Основной процесс звездной эволюции - это гравитационное сжатие с темпом, определяемым светимостью. Ключевой параметр - начальная масса. В зависимости от ее величины звезда эволюционирует через различные стадии ядерного горения и оканчивает свои дни как белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. Любой звездный остаток (холодная равновесная конфигурация) с массой, не превышает 1,2–1,4 MSun, то звезда становится белым карликом. Сильное тяготение белого карлика уравновешивается давлением вырожденного электронного газа. Предполагают, что в нашей Галактике около миллиарда белых карликов.



Если масса звезды не превосходит 2–3 MSun , то звезда становится нейтронной. Мощное тяготение нейтронной звезды сдерживается давлением вырожденного нейтронного газа. Предполагают, что количество нейтронных звезд в нашей Галактике около ста миллионов.

В таблице приведены этапы эволюции звезды массой 25 MSun

Стадия

Т Температура в

центре, K

Плотность в центре, кг/м3

Продолжительность

Горение водорода

4•107

5•103

7•106 лет

Горение гелия

2•108

7•105

5•105 лет

Горение углерода

6•108

2•108

600 лет

Горение неона

1,2•109

4•109

1 год

Горение кислорода

1,5•109

1010

6 месяцев

Горение кремния

2,7•109

3•1010

1 день

Коллапс ядра

5,4•109

3•1012

0,2 секунды

Взрыв ядра

2,3•1010

4•1017

Миллисекунды

Расширение

Около 109

Меняется

10 секунд









hello_html_m41ce585f.jpghello_html_m57b7cd85.jpg













Данные рисунки показывают процесс гравитационного коллапса звезд

По современным представлениям в звездах главной последовательности с массой больше 10 MSun термоядерные реакции проходят в невырожденных условиях вплоть до образования самых устойчивых элементов железного пика. Масса эволюционирующего ядра слабо зависит от полной массы звезды и составляет 2–2,5 MSun

В настоящее время известны два основных фактора, приводящие к потере устойчивости и коллапсу:

  • при температурах 5–10 миллиардов градусов начинается фотодиссоциация ядер железа – «развал» ядер железа на 13 альфа-частиц с поглощением фотонов: 56Fe + ? > 134He + 4n

  • при более высоких температурах – диссоциация гелия 4He > 2n + 2p и нейтронизация вещества (захват электронов протонами с образованием нейтронов).

Сброс оболочки звезды объясняют взаимодействием нейтрино с веществом. Распад ядер требует значительных затрат энергии, т.к. представляет собой как бы всю цепочку термоядерных реакций синтеза водорода в железо, но идущую в обратном порядке, не с выделением, а с поглощением энергии. Вещество теряет упругость, ядро сжимается, температура возрастает, но все же не так быстро, чтобы приостановить сжатие. Большая часть выделяемой при сжатии энергии уносится нейтрино. Таким образом, в результате нейтронизации вещества и диссоциации ядер происходит как бы взрыв звезды внутрь – имплозия. Вещество центральной области звезды падает к центру со скоростью свободного падения. Образующаяся при этом гидродинамическая волна разрежения втягивает последовательно в режим падения все более удаленные от центра слои звезды.

Начавшийся коллапс может остановиться упругостью вещества, достигшего ядерной плотности (ρ = 2,8•1014 г/см3) и состоящего в основном из вырожденных нейтронов (нейтронная жидкость). При этом образуется нейтронная звезда. Оболочка звезды приобретает огромный импульс (скорее всего, передающийся нейтрино) и сбрасывается в межзвездное пространство со скоростью 10 000 км/с. Такие остатки вспышек сверхновых при расширении взаимодействуют с межзвездной средой и заметно светятся. В некоторых типах остатков (т.н. плерионы) основная энергия в оболочку поступает в виде релятивистских частиц, рожденных быстровращающейся нейтронной звездой с сильным магнитным полем – пульсаром.

Если масса звезды больше 3 MSun, то звезда становится черной дырой. Гравитационное поле столь массивной звезды так сильно сдавливает ее вещество, что звезда не может остановиться на стадии нейтронной звезды и продолжает сжиматься вплоть до гравитационного радиуса.

Предполагают, что количество черных дыр в нашей Галактике около десяти миллионов. hello_html_m1a97ea55.gif

На рисунке 19 показаны траектории звезд на диаграмме "масса - средняя плотность" в соответствии с последними наблюдательными и теоретическими данными. Звезды с массой меньше $8 Msun оканчивают жизнь как белые карлики, между 8 MSun и 45 MSun - как нейтронные звезды; черные дыры образуются только из звезд массивнее 45 MSun (для звезд с массами между 20 MSun и $ 45 MSun существенна потеря массы на стадии горения гелия). Принимая во внимание начальное распределение звезд по массам, мы получаем примерно 1 черную дыру на 100 взрывов сверхновых. Другим вариантом образования черной дыры звездной массы является аккреция газа на нейтронную звезду в двойной системе до тех пор, пока масса последней не превзойдет предела Оппенгеймера-Волкова - максимально возможной массы нейтронной звезды; тогда она коллапсирует в маломассивную черную дыру.



Учитывая все эти процессы, мы получаем, что в типичной галактике типа нашей должно быть порядка 107 - 108 черных дыр звездных масс.























































Виды и структура черных дыр



В настоящее время Черной дырой называется область пространства-времени, в которой гравитационное поле столь сильно, что ни один объект (даже свет) не может вырваться из нее.



Черная дыра описывается всего тремя параметрами:

массой M (шварцшильдовская черная дыра),

моментом импульса J (керровская черная дыра)

электрическим зарядом Q (черная дыра Керра–Ньюмана).

Знание этих характеристик дает нам полную информацию о черной дыре.



В 1916 году, практически сразу после того, как Эйнштейн создал общую теорию относительности, Карл Шварцшильд нашел решение уравнений Эйнштейна для «точечного» сферически симметричного тела. Из решения следует, что сила притяжения возрастает до бесконечности при радиусе, стремящемся к радиусу Шварцшильда (Rg), называемом также гравитационным радиусом. Например, гравитационный радиус Солнца равен Rg = 3 км, а соответствующая плотность ρ = 2•1016 г/см3 (это превышает плотность атомного ядра ρ = 2•1014 г/см3).

Если в начале коллапса масса звезды (ее ядра или всего того, что от нее осталось) превышает 3 М, то пока нам неизвестна сила, которая в этом случае могла бы предотвратить неудержимое сжатие звезды—оно будет продолжаться до тех пор, пока все вещество звезды не окажется сосредоточенным в некоторой точке, называемой сингулярностью. В сингулярности вещество сжато до бесконечной плотности бесконечно большими гравитационными силами; иначе говоря, кривизна пространства-времени в сингулярности бесконечна. Однако современная физика пока еще не в состоянии оперировать бесконечными силами и плотностями; поэтому можно считать, что законы природы—в том смысле, как мы их понимаем—в сингулярности утрачивают силу. Что же касается вещества, из которого состояла сколлапсировавшая звезда, то, казалось бы, в сингулярности оно должно перестать существовать. Высказывались предположения о наличии некой новой силы, препятствующей коллапсу вещества до истинно бесконечных значений плотности. Но пока эти предположения не имеют под собой никакой реальной основы. Гравитационное взаимодействие настолько слабо по сравнению с другими силами природы, что и квантовые эффекты—которые легко проявляются при других взаимодействиях—вряд ли могут быть существенными, когда речь идет о тяготении, разве что на очень коротких расстояниях—порядка планковской длины (10 -35 м). Удовлетворительной квантовой теории гравитации пока не существует. Не исключено, что создание такой теории позволит доказать отсутствие в природе истинных сингулярностей, но на сегодняшний день мы считаем, что черная дыра (за исключением области в непосредственной близости от сингулярности) достаточно хорошо описывается общей теорией относительности и что вещество должно быть сжато в микроскопически малом объеме пространства в центре черной дыры. Как только сколлапсировавшая звезда сжимается в сферу шварцшильдовского радиуса, она исчезает для наблюдателя, поскольку свет ее поверхности уже не может достичь нас. В этом случае мы говорим о формировании некоего горизонта, и все происходящее в пределах этого горизонта недоступно нашему наблюдению. Есть основания полагать, что там звезда продолжает коллапсировать в сингулярность, но мы в принципе не имеем возможности наблюдать этот процесс или каким-либо другим путем получать информацию о превращениях звездного вещества. Черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса массивной звезды (см. рис. )— это сферический объем пространства, имеющий радиус, равный радиусу Шварцшильда, и сингулярность—в центре симметрии. Граница черной дыры носит название горизонта событий, так как никакие сведения о событиях внутри черной дыры не могут распространяться во Вселенной за пределами этого горизонта.

hello_html_4c11cf7.jpg

У черной дыры, разумеется, нет твердой поверхности. Если бы вам пришлось пересекать горизонт событий, то вы не заметили бы никаких изменений пространства; но, оказавшись внутри этой границы, вы уже не смогли бы двигаться назад и с неизбежностью упали бы на центральную сингулярность. Горизонт событий—это односторонняя граница. Все вещественные объекты, свет и любое другое излучение могут падать в черную дыру, но ничто не может покинуть ее.

В принципе почти любого количества вещества достаточно для формирования черной дыры. Каждой величине массы соответствует свое значение радиуса Шварцшильда, внутри которого эта масса должна быть заключена (примеры приведены в табл).

hello_html_m394e2658.png

Чтобы составить некоторое представление о величине радиуса Шварцшильда, укажем, что для Солнца он должен быть немного меньше 3 км; если вся масса Солнца окажется внутри сферы такого радиуса, то Солнце превратится в черную дыру. Нетрудно подсчитать, что при нынешнем радиусе Солнца (700 000 км) плотность его вещества, сжатого в сферу шварцшильдского радиуса, в 1015 раз превысит плотность воды. Если бы какой-нибудь физик вдруг задумал сделать черную дыру из нашей планеты, то ему пришлось бы сжать Землю в сферу радиусом меньше 1 см! Но при нынешнем состоянии Вселенной ни Солнце, ни Земля не могут сами по себе превратиться в черные дыры. Как мы уже видели, звезды, имеющие к концу своей жизни массу меньше 2—3 Мsun , в основном становятся белыми карликами или нейтронными звездами. Однако известно много звезд, масса которых значительно превышает этот предел, и, хотя к концу своей эволюции звезды многими способами могут избавиться от излишков вещества, весьма вероятно, что некоторые из таких сверхмассивных звезд на последнем этапе своего существования все-таки становятся черными дырами. Шварцшильдовский радиус звезды массой 10 Мsun составляет примерно 30 км. Так как объем сферы пропорционален кубу радиуса, а радиус черной дыры зависит от ее массы, выходит, что плотность вещества, сжатого до размеров сферы Шварцшильда, имеет меньшее значение для звезд большей массы. Так, звезда массой 10 Мsun в тот момент, когда в процессе коллапса ее радиус окажется равным радиусу Шварцшильда, будет иметь плотность всего лишь в 10 14 раз выше плотности воды (т. е. 1017 кг/м3). Средняя плотность вещества нейтронных звезд составляет, по нашим представлениям, 1018 кг/м3. Поскольку у нас нет сомнений в факте существования нейтронных звезд, то, очевидно, вещество может быть сжато до таких огромных значений плотности, а плотность коллапсирующей массивной звезды в тот момент, когда она становится черной дырой, на порядок меньше плотности нейтронной звезды. Конечно, внутри черной дыры коллапс будет продолжаться до тех пор, пока плотность вещества не станет бесконечной, но, что бы ни происходило внутри, факт остается фактом: черные дыры могут образовываться из вещества с плотностью, заведомо меньшей плотности объектов, существование которых во Вселенной твердо установлено. Развивая эту мысль дальше (см. табл.), находим, например, что черная дыра массой 108 Мsun будет иметь радиус около 300 млн. км (т. е. вдвое больше радиуса земной орбиты), а средняя плотность вещества при «уходе» его за горизонт событий окажется почти равной плотности воды. Черная дыра массой в несколько миллиардов масс Солнца в момент своего формирования будет иметь такую же плотность, как воздух у поверхности Земли. Стоит еще раз подчеркнуть, что если вещество объекта данной массы сжалось до сферы радиуса Шварцшильда, то уже ничто не в состоянии воспрепятствовать его бесконечному коллапсу; однако для формирования черной дыры никакого невероятного сжатия материи не требуется. Во Вселенной, в принципе, можно обнаружить черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса звезд с массами от 2—3 до 100 МsunСверхмассивные черные дыры, содержащие количества вещества, равные тысячам, миллионам или миллиардам солнечных масс, в настоящее время также могут существовать или формироваться во Вселенной. Высказывалось предположение, что если Вселенная действительно возникла в результате Большого взрыва из горячего и плотного протовещества, то на самых ранних стадиях ее эволюции могли существовать условия, в которых даже очень небольшие массы материи спрессовывались в так называемые черные мини-дыры. В черной дыре размером с атомное ядро может содержаться масса средней земной горы, и вполне допустимо, что такие объекты существуют.



Однако Шварцшильдовскую черную дыру нельзя считать реальным физическим объектом в строгом смысле этого слова. Дело в том, что если черные дыры действительно существуют, то они должны образовываться из вращающихся тел (т. е. из тел, обладающих собственным моментом импульса), и, кроме того, эти тела могут иметь отличный от нуля электрический заряд. Но если большинство объектов во Вселенной можно все же считать электрически нейтральными, то вращение—это общее свойство, присущее звездам, планетам и галактикам.



Черная дыра, возникающая в результате коллапса вращающейся массивной звезды, сама должна вращаться вокруг своей оси с большой скоростью; ведь нам доподлинно известно, что нейтронные звезды являются быстро вращающимися объектами. Теоретические исследования, проведенные Б. Картером, В. Израэлом, Д. Робинсоном и С. Хокингом, подтвердили, что с точки зрения внешнего наблюдателя черные дыры могут иметь только три характеристики: свойства черной дыры полностью определяются ее массой М, электрическим зарядом Q и собственным моментом импульса J. Эти три характеристики должны остаться у черной дыры, поскольку они связаны с полями дальнодействующих сил, которые оказывают влияние на удаленные объекты. Гравитационное поле, величина которого зависит от массы М и момента импульса J, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника; электромагнитная сила, обусловленная зарядом Q, ведет себя подобным же образом. При формировании черной дыры гравитационное поле вне горизонта событий продолжает воздействовать на распространение световых лучей и движение объектов с ненулевой массой покоя. Аналогично электромагнитное поле, связанное с полным электрическим зарядом черной дыры, также будет оказывать влияние на окружающие тела. Никакие другие свойства вещества, участвующего в формировании черной дыры, не передаются ей «в наследство». Подчеркивая этот аспект природы черных дыр, профессор Дж. А. Уилер весьма остроумно заметил: «У черной дыры не может быть волос», сформулировав тем самым одноименную теорему. Иными словами, коллапсирующее тело быстро достигает состояния, единственными характеристиками которого являются масса, заряд и собственный момент импульса — других отличительных черт у черной дыры нет.



Решение уравнений поля для сколлапсировавших массивных тел с электрическим зарядом и моментом импульса — чрезвычайно трудная задача. В 1916—1918 гг. X. Райсснер и Дж. Нордстрём нашли решение, описывающее черную дыру с массой М и электрическим зарядом Q, но лишь в 1963 г. австралийский математик Рой П. Керр получил решение уравнений поля для черной дыры с массой М и собственным моментом импульса J. Только после этого стало возможно построить достаточно реалистические модели черных дыр. Примерно через 2 года после Керра Э. Ньюмен с соавторами нашел решение, в котором фигурировали все три характеристики черных дыр: М. Q и J. Решения Керра—Ньюмена, по-видимому, исчерпывают все возможные варианты моделей черных дыр.



Впрочем, вряд ли в природе есть черные дыры, несущие сколько-нибудь существенный электрический заряд, а если таковые и существуют, то недолго. Дыра, образовавшаяся из вещества с большим положительным электрическим зарядом, будет интенсивно притягивать оказавшиеся по соседству отрицательные заряды и отталкивать положительные. В результате через некоторое время первоначальный заряд черной дыры будет нейтрализован.





Что же касается вращающихся черных дыр, то они как внутри, так и вне горизонта событий обладают рядом замечательных свойств. Когда сферическое невращающееся тело критического радиуса сжимается в собственном гравитационном поле, общая теория относительности предполагает, что оно сожмётся в одной точке. В случае с вращающейся чёрной дырой (черной дырой Керра) ситуация выглядит иначе, поскольку распределение массы вращающегося тела не является сферическим, и оно обладает моментом импульса. Поскольку точка не может обладать вращением или моментом импульса, при коллапсе сингулярность должна возникнуть в виде кольца с нулевой толщиной, но ненулевым радиусом, и этот гипотетический объект получил название «кольцеобразной сингулярности» или «сингулярности Керра».



Поскольку вблизи вращающихся массивных тел, согласно общей теории относительности, возникают дополнительные силы, действующие на пробные тела, пространство-время в непосредственной близости от кольца сингулярности будет искривляться в направлении вращения кольца. Фактически это означает, что различные наблюдатели, расположенные вокруг чёрной дыры Керра, будут указывать на различные точки на кольце сингулярности в качестве его центра масс. Предметы, падающие на кольцо сингулярности, начнут приобретать момент импульса от кольца, прежде чем они реально достигнут его.hello_html_21ba10e9.jpg

hello_html_m50d3853c.png


Вне горизонта событий таких дыр простирается область, называемая эргосферой (см. рис.), которая снаружи ограничена некой поверхностью (разумеется, не твердой), именуемой пределом устойчивости (стационарности). Последний касается горизонта событий в двух точках — «полюсах» черной дыры. Внутри предела стационарности ничто не может оставаться в покое: даже если бы ваш космический корабль двигался с околосветовой скоростью, то в эргосфере вы бы не избежали вынужденного вращения—само пространство там как бы увлекается вращением черной дыры и закручивается вокруг ее оси. Космический корабль, попавший внутрь эргосферы, в принципе, может ее покинуть, для этого достаточно, включив двигатели, направить его в сторону от горизонта событий; однако ничего нельзя сделать, чтобы корабль (или даже луч света) оставался в этой области пространства неподвижным. Этот эффект известен как «увлечение инерциальных систем отсчета» Лензе—Тирринга. Чтобы понять, почему это происходит, нам необходимо вспомнить принцип Маха, согласно которому любое тело во Вселенной вносит вклад в свойство инерции всех остальных тел. При нормальных условиях инерция тела определяется главным образом удаленными массами, но и близкие массы оказывают на нее некоторое (очень слабое) влияние. Следовательно, массивное вращающееся тело должно увлекать в круговое движение инерциальные системы в своей ближайшей окрестности. Этот эффект в принципе можно наблюдать с помощью маятника Фуко (маятника, свободно качающегося в «фиксированной» плоскости, относительно которой вращается Земля), установив его на одном из полюсов Земли и наблюдая, остается ли плоскость, в которой он колеблется, неподвижной относительно удаленных галактик или же она медленно поворачивается в направлении собственного вращения Земли. Эффект увлечения слишком мал, чтобы его можно было заметить с помощью современных приборов. Однако обусловленную этим эффектом прецессию орбиты спутника можно выделить среди других видов возмущений, хотя для того, чтобы вследствие этой прецессии плоскость орбиты спутника coвершила один полный оборот вокруг Земли, потребуется почти 10 млн. лет.























Излучение Хокинга



Черные дыры обладают рядом интересных эфеектом, с которыми они влияют на окружающее себя пространство. Одним из таких явлений является излучение Хокингаю

Британский астрофизик Стивен Хокинг исследовал квантовые эффекты в поведении вещества в окрестности черной дыры. К его собственному удивлению и к удивлению всей научной общественности, ознакомившейся с его результатами, опубликованными в 1974 г., оказалось, что черные дыры все же должны испускать частицы—фотоны, электроны и нейтрино—и что, с точки зрения удаленного наблюдателя, это излучение будет иметь сплошной температурный спектр, т. е. точно такой же спектр, какого можно ожидать в излучении идеального горячего тела (так называемого абсолютно черного тела). Проведенное Хокингом исследование квантовых эффектов показало, что черные дыры должны вести себя так, как если бы они имели температуру: их поведение вполне соответствует замеченной ранее аналогии между физикой черных дыр и термодинамикой. Выяснилось, что черные дыры, как и любые нагретые тела, должны излучать энергию и иметь температуру, величина которой обратно пропорциональна их массе. Это удивительное открытие означало, что черные дыры отнюдь не так уж «черны»; оно позволило установить взаимосвязь между гравитацией, которая прежде стояла особняком по отношению к другим силам, и термодинамикой и квантовой теорией. Но как же удается черной дыре излучать энергию, если ничто не может пересечь изнутри ее горизонт событий, не превысив скорости света, т. е. не нарушив одного из фундаментальных запретов современной физики? Ответ на этот вопрос дает квантовая механика.





Как следует из квантовой теории, мы не можем одновременно точно измерить координату и скорость частиц; мы можем определить только вероятность нахождения частиц с заданными скоростями в некоторой области пространства. Это утверждение основывается на принципе неопределенности. Согласно принципу неопределенности, мы не можем также определить точное значение энергии частицы или физической системы в сколь угодно малый промежуток времени. За длительное время нам удается измерить энергию довольно точно, но чем короче временной интервал, тем менее точны будут полученные нами результаты. Величиной, задающей меру неопределенности энергии и меру неопределенности времени, является постоянная Планка. Принцип неопределенности в сочетании с формулой Эйнштейна, устанавливающей эквивалентность массы и энергии (Е=М*с2 ), позволяет сделать вывод, что в обычном «пустом» пространстве на очень короткое время могут возникать пары частица—античастица, которые затем быстро аннигилируют. В микроскопическом объеме пространства в течение очень короткого промежутка времени величина энергии может быть весьма неопределенной. Следовательно, в течение очень короткого промежутка времени может существовать некоторое количество энергии, и, согласно принципу неопределенности, чем короче этот промежуток, тем больше величина энергии. Если же энергия достаточно велика, то она может привести к рождению пары—частицы и соответствующей античастицы, каждая из которых просуществует какое-то мгновение, прежде чем произойдет их аннигиляция. Поскольку аннигиляция совершается за достаточно короткий промежуток времени, допустимый соотношением неопределенности, этот процесс никак не противоречит существующим законам природы. Чем выше энергия частицы и античастицы, тем короче время их жизни. Эти частицы носят название виртуальных, так как они недоступны прямым наблюдениям; однако они вызывают косвенные эффекты, которые в принципе могут быть измерены, и некоторые из них уже были измерены. Представление о пустом пространстве, вакууме, уже достаточно хорошо разработано: вакуум далеко не пуст, он скорее напоминает бурлящий океан мгновенно возникающих и аннигилирующих частиц, причем полное значение массы-энергии вещества во Вселенной остается постоянным.


hello_html_m19baf31e.jpg

Мощное гравитационное поле в окрестности черной дыры резко усиливает процесс образования пар частиц. В обычных условиях, как предполагается, а аннигиляция едва образовавшейся пары происходит практически мгновенно, так что, по существу, и не стоит говорить о рождении частиц. Однако вблизи горизонта событий черной дыры колоссальные приливные силы могут привести к отделению только что возникшей частицы от ее античастицы (см. рис.). В некоторых случаях и частица и античастица падают в черную дыру, но возможно и другое: лишь один из «партнеров» падает внутрь горизонта событий, оставив второго в одиночестве— оставшаяся частица (или античастица) уже не может аннигилировать. Какое-то количество таких частиц может покинуть окрестность черной дыры и достигнуть удаленного наблюдателя, создавая впечатление потока частиц, испускаемых дырой. Это, конечно, всего лишь один из возможных вариантов объяснения явления, точный же механизм испускания частиц черными дырами пока остается неясным.

В таком случае естественно возникает вопрос: не предоставляет ли процесс, открытый Хокингом, лишь чисто академический интерес? Скорее всего это не так. Если бы существовали черные дыры с очень малой массой, то их температура была бы гораздо выше и они испарялись бы значительно быстрее. Как показал Хокинг в 1971 г., флуктуации(колебания) плотности, имевшие место непосредственно после Большого взрыва, могли привести к огромному сжатию сравнительно малых объемов вещества, в результате чего могли бы сформироваться черные мини-дыры малой массы и микроскопических размеров. Эти дыры получили название первичных черных дыр. То гигантское давление, при котором может происходить образование черных дыр из малого количества вещества, в современной Вселенной не может быть достигнуто ни в одном процессе, однако не исключено, что в первые мгновения ее жизни такие давления существовали. Первичная черная дыра с массой, равной массе небольшой горы (порядка 1012 кг), имела бы размер, сравнимый с размером протона, а плотность, до которой должно было сжаться это вещество, чтобы превратиться в черную дыру, равнялась бы плотности вещества всех галактик наблюдаемой ныне Вселенной, спрессованных в сферу радиусом всего в 10 см! Такая первичная дыра имела бы температуру около 1011 К. Мощность ее излучения (она испускала бы электроны, позитроны, фотоны, нейтрино и другие частицы) должна была достигать примерно 6000 МВт—это мощность нескольких крупных современных электростанций. По мере потери массы температура черной дыры должна возрастать, причем чем горячее черная дыра, тем быстрее она излучает, а чем быстрее излучает, тем быстрее теряет массу. Как только масса черной дыры становится достаточно малой, этот процесс резко ускоряется и заканчивается взрывным выбросом остатков массы-энергии дыры. Первичные черные дыры очень малых масс должны были взорваться вскоре после своего возникновения, но испарение дыры массой в миллиарды тонн может длиться около 1010 лет, что примерно равно возрасту нашей Вселенной. Некоторые первичные черные дыры, по-видимому, должны взрываться в настоящее время. Сегодняшний уровень наших знаний не позволяет точно предсказать ход заключительной стадии испарения черных дыр; однако совершенно очевидно, что их заключительный взрыв должен сопровождаться мощным выбросом гамма-излучения высокой энергии. 

Спагеттификация



В окрестности невращающейся шварцшильдовской черной дыры можно ожидать еще один любопытный эффект. Исследуем черную дыру массой 10 Мsun с помощью мысленного эксперимента: допустим, некий астронавт решился совершить путешествие внутрь черной дыры, регулярно посылая— пока сможет—информацию о своем путешествии. Он, конечно, прекрасно понимает, что это путешествие в одну сторону, и тому, кто пересечет горизонт событий, не суждено вернуться обратно.

Одним из неприятных эффектов, которые испытывает на себе наш астронавт, приближаясь к дыре, будет воздействие приливных силПриливные силы возникают в результате разности гравитационного воздействия на различные точки одного и того же протяженного тела. Стоя на поверхности Земли (и даже не принимая во внимание влияния Солнца и Луны), мы подвергаемся воздействию приливных эффектов, вызываемых самой нашей планетой. Если человек стоит прямо, то его ноги оказываются ближе к центру Земли, чем голова, и, следовательно, испытывают большую силу гравитационного притяжения. Правда, эти эффекты чрезвычайно малы, так что мы не только не замечаем их, но и не можем измерить без специальных сверхчувствительных приборов.

Однако вблизи горизонта событий черной дыры дело обстоит иначе. Когда вещество массой Мsun сконцентрировано в сфере радиусом всего в 30 км, гравитационные силы при приближении к горизонту событий резко возрастают: вблизи горизонта астронавт должен испытывать примерно такое же действие приливных сил, как если бы он повис на мосту, уцепившись за перила, а за ноги его тянуло бы вниз все население Лондона или Нью-Йорка! Данное явление называют спагеттификацией (иногда также называемое эффектом лапши)

Стивен Хокинг, иллюстрируя этот термин в книге «Краткая история времени», так же приводит в качестве примера полёт гипотетического космонавта, который, пролетая через горизонт событий чёрной дыры, «растягивается, как спагетти» гравитационным градиентом. При этом термин «спагеттификация» появился до публикации книги Хокинга.

Непрерывно возрастающие гравитационные силы должны были бы растянуть нашего несчастного астронавта и разорвать его на куски, прежде чем он приблизится к горизонту событий; когда астронавт—или то, что от него останется— пересечет сферу Шварцшильда, он продолжит падение к сингулярности, где и закончит свое существование. Единственное утешение в такой ситуации — это молниеносный конец. Падая со скоростью, близкой к скорости света, астронавт достигнет сингулярности через 10-4 с после пересечения горизонта событий. Однако расположение точки, в которой приливные силы достигают такой величины, что разрушают попавший туда объект, зависит от размера чёрной дыры. Для сверхмассивных чёрных дыр, как, например, расположенных в центре Галактики, эта точка лежит в пределах их горизонта событий, поэтому гипотетический космонавт может пересечь их горизонт событий, не замечая никаких деформаций, но после пересечения горизонта событий его падение к центру чёрной дыры уже неизбежно. Для малых чёрных дыр, у которых радиус Шварцшильда гораздо ближе к сингулярности, приливные силы убьют космонавта ещё до достижения им горизонта событий. Например, для чёрной дыры с массой в 10 масс Солнца на расстоянии в 1000 километров от неё, приливная сила составит 325 N, объект будет разрушен на расстоянии в 320 км от неё, а её радиус Шварцшильда составляет 30 км. Для чёрной дыры с массой 10 тысяч солнечных масс дистанция разрушения составит 3200 км, а радиус Шварцшильда — 30 000 км.













































Что происходит внутри черных дыр?



К сожалению, мы не можем наблюдать внутренность черной дыры, находясь вне ее. Хотя падающий в черную дыру астронавт и может в теории производить наблюдения внутри нее, особенно если он выбрал для исследования сверхмассивную черную дыру, где в его распоряжении будет несколько часов и даже дней, прежде чем приливные силы приведут его к гибели, но он не может передавать нам информацию, не используя сверхсветовых сигналов, сущесвование которых противоречит фундаментальным законам физики.

Тем не менее, мы убеждены, что общая теория относительности в состоянии правильно описать все происходящее внутри черной дыры, за исключением, может быть, самой сингулярности.

Это подтверждается, в частности, тем, что на своем пути к сингулярности падающий в черную дыру астронавт нигде не превышает локально измеренную скорость света. Согласно же теории Ньютона, астронавт должен испытывать все возрастающее ускорение, и поэтому он упадет на сингулярность с бесконечно большой скоростью, безусловно превышающей скорость света.

Для описания пространства-времени можно использовать специальную диаграмму. Один из вариантов такой диаграммы предложил профессор Оксфордского университета Роджер Пенроуз; с помощью диаграммы Пенроуза на одном листе бумаги можно изобразить и саму черную дыру, и всю остальную часть Вселенной. Метод отображений, предложенный Пенроузом (называемый конформным отображением), позволяет получить картину пространства-времени шварцшильдовской черной дыры в таком виде, как показано на рис. hello_html_m7ee0c3a7.png

hello_html_2757281e.jpg

На данных рисунках изображенно пространственно-временное изображение (диаграмма Пенроуза) шварцшильдовской черной дыры. Время откладывается по вертикали, пространственные расстояния—по горизонтали. Наш мир расположен в правой части диаграммы, а в левой части находится другой, недоступный для нас мир. Частицы вещества должны двигаться по временноподобным линиям, т. е. по линиям, образующим с вертикалью угол меньше 45°; следовательно, любая частица а, пересекающая горизонт событий, обязательно упадет на сингулярность;



Все внешнее по отношению к черной дыре пространство-время изображено в правом секторе диаграммы, а линии, ограничивающие диаграмму справа, соответствуют бесконечно удаленным областям пространства-времени, протянувшимся из бесконечного прошлого (нижняя линия) в бесконечное будущее (верхняя линия). Горизонт событий изображают линии, наклоненные к вертикали (направление времени) под углом 45°. В пространственно-временных диаграммах, с которыми мы встречались раньше, эти линии соответствовали траекториям световых лучей. Мировые линии более медленных частиц имеют наклон меньше 45° (т. е. эти частицы движутся по временноподобным линиям). Поскольку луч света, направленный от горизонта событий наружу, остается все время на постоянном расстоянии от сингулярности, хотя падающий в черную дыру наблюдатель продолжает считать, что луч пролетает мимо него со скоростью света (стремится вверх, но остается на месте), то есть смысл изобразить горизонт событий линиями, имеющими именно такой наклон. Сингулярность изображается горизонтальной линией, ограничивающей диаграмму сверху; сингулярность пространствснноподобна.

Частица, падающая на черную дыру, должна двигаться по временноподобной мировой линии, поскольку движение со сверхсветовыми скоростями, согласно теории, невозможно. Из диаграммы ясно: ничто попавшее в черную дыру не может избежать падения на центральную сингулярность, поскольку даже внутри дыры частицы должны следовать по линиям, наклоненным к вертикали под углом меньшим 45°. При этом внутри черной дыры, сразу за горизонтом событий, происходят фундаментальные изменения характера пространства-времени. Если во внешнем пространстве тела свободны двигаться в произвольном направлении, то внутри черной дыры допустимо единственное движение—к сингулярности и разрушению в ней.



Отмечу, что диаграмма Пенроуза симметрична; это означает существование второй такой же вселенной по «другую сторону» от черной дыры. Решения уравнений, описывающих пространство-время в окрестности шварцшильдовской черной дыры, обладают определенной симметрией, которая указывает на то, что дыра может связывать нашу Вселенную с другим, аналогичным миром. Имеет ли этот «другой мир» физический смысл или это чисто математическое следствие решения уравнений поля?. В случае шварцшильдовской черной дыры этот вопрос носит чисто гипотетический характер: мы не можем проникнуть в «ДРУГУЮ вселенную»—послать туда или получить оттуда какой-либо сигнал. Все, что попадает в черную дыру, исчезает в сингулярности. Для совершения путешествия из нашей в другую вселенную или оттуда в наш мир потребуются сверхсветовые скорости, недопустимые, согласно теории относительности.





































Проблема описания и изучения черных дыр



На данный момент учёными обнаружено около тысячи объектов во Вселенной, которые причисляются к чёрным дырам. Всего же, предполагают учёные, существуют десятки миллионов таких объектов. Несмотря на огромное количество черных дыр, обнаружить одиночную черную дыру практически невозможно. Поэтому одним из лучших мест для поиска черных дыр являются двойные звезды. В 1964 году Яков Зельдович и Э. Солпитер предсказали мощное рентгеновское энерговыделение от аккрецирующих черных дыр в тесной двойной системе. Такие наблюдательные данные в настоящее время получены. В настоящее время единственный достоверный способ отличить чёрную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с гравитационным радиусом.

Даже свет не может покинуть (классические) черные дыры, но можно надеяться обнаружить их косвенно, по излучению, выделяющемуся в процессе аккреции на них. Под этим мы понимаем процесс приращения массы небесного тела( в данном случае черной дыры) путём гравитационного притяжения материи, например газа из соседней звезды. В этом процессе перетекающее вещество образует аккреционный диск, ответственный за многие наблюдательные феномены рентгеновских источников.

Аккреция газа на компактную звезду генерирует излучение в рентгеновском диапазоне, потому поиск черных дыр звездных масс состоит в отборе быстропеременных рентгеновских источников, которые не являлись бы ни периодическими (соответствующие рентгеновские пульсары интерпретируются как вращающиеся нейтронные звезды), ни вспыхивающими время от времени (соответствующие рентгеновские барстеры интерпретируются как термоядерные взрывы на твердой поверхности нейтронной звезды).

На сегодняшний день известно около десятка хороших кандидатов в рентгеновских двойных системах. Их можно разделить на две группы: массивные рентгеновские двойные (high--mass X--ray binaries, HMXB) с массивной оптической компонентой и маломассивные двойные (low--mass X--ray binaries, LMXB), для которых типичная масса оптического компонента меньше солнечной. Маломассивные рентгеновские двойные называют также рентгеновскими транзиентами (X-ray transients), так как они изредка вспыхивают до очень больших светимостей.

После оригинальных рассуждений Митчелла и Лапласа идея гигантских черных дыр была вновь привлечена в 60-е годы прошлого века для объяснения огромного энерговыделения активных галактических ядер (active galactic nuclei, AGNs). Это - общее название для огромного семейства галактик, включающего в себя квазары, радиогалактики, сейфертовские галактики, блазары и так далее. Основным процессом в них является аккреция газа на массивную черную дыру. hello_html_78a13583.png



Благодаря постоянному улучшению наблюдательных данных, в 90-х годах стало ясно, что в большинстве галактических ядер (как активных, так и нет) сконцентрированы большие массы вещества. Сегодня обнаружение этих масс - одна из главных задач внегалактической астрономии. Наиболее успешным методом является анализ динамики окружающего ядро вещества: газ или звезды вблизи невидимой центральной массы имеют большую дисперсию скоростей, что может быть измерено спектроскопически. Похоже, что массивные черные дыры “сидят” в центрах почти всех галактик, а энергетика их определяется имеющимся объемом газа.



Возможные кандитаты в черные дыры:

  • Стрелец A* (лат. Sagittarius A*, Sgr A*; произносится «Стрелец А со звёздочкой») — компактный радиоисточник, находящийся в центре Млечного Пути, входит в состав радиоисточника Стрелец А. Излучает также в инфракрасном, рентгеновском и других диапазонах. Представляет собой высокоплотный объект, вероятно сверхмассивную чёрную дыру, окружённую горячим радиоизлучающим газовым облаком диаметром около 1,8 пк. Расстояние до радиоисточника составляет около 26 тыс. св. лет, масса центрального объекта — 4,31•106 Msun . Открыта 16 октября 2002 года международной исследовательской группой Института Макса Планка во главе с Райнером Шёделем.

  • Ядро галактики Андромеды (или Андромеда, M 31, NGC 224, Туманность Андромеды) Это спиральная галактика типа Sb, крупнейшая галактика Местной группы. Ближайшая к Млечному Пути большая галактика. В ядре M 31, как и во многих других галактиках (в том числе, и в Млечном Пути) расположен кандидат в сверхмассивные чёрные дыры (СЧД). Расчёты показали, что его масса превышает 140 миллионов масс Солнца. В 2005 году космический телескоп «Хаббл» обнаружил загадочный диск из молодых голубых звёзд, окружающий СЧД. Они вращаются вокруг релятивистского объекта, в точности как планеты вокруг Солнца. Астрономы были озадачены тем, как подобный диск в форме бублика мог образоваться так близко к столь массивному объекту. По расчётам, чудовищные приливные силы СЧД не должны позволять газо-пылевым облакам сгущаться и формировать новые звёзды. Дальнейшие наблюдения, возможно, дадут ключ к разгадке.

  • Лебедь X-1 (сокращённо Cyg X-1) — известный галактический источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя. Он был открыт в 1964 году во время суборбитального полёта и является одним из ярчайших источников рентгеновского излучения, обладая максимальной плотностью потока 2,310−23 Вт·м−2Гц−1. Лебедь X-1 был первым рентгеновским источником-кандидатом в чёрные дыры и является среди них одним из самых изученных объектов. Известно, что его масса составляет 14.8 масс Солнца; показано, что объект слишком компактен, чтобы быть каким-либо объектом кроме чёрной дыры. Радиус его горизонта событий составляет примерно 26 км. Лебедь X-1 входит в состав массивной двойной системы, располагающейся на расстоянии примерно 6070 световых лет от Солнца. Один из её компонентов — чёрная дыра массой порядка 10 солнечных. Также в систему входит голубой сверхгигант с переменным блеском, обозначенный HDE 226868. Двойная система может принадлежать к звёздной ассоциации Лебедь OB3, что может означать, что возраст Лебедь X-1 составляет порядка пяти миллионов лет, и он сформировался из звезды с массой более 40 солнечных. Звезда лишилась бо́льшей части вещества, скорее всего из-за звёздного ветра. Если бы после звезда взорвалась как сверхновая, взрыв с большой вероятностью выбросил бы звёздный остаток из системы. Это значит, что звезда сколлапсировала непосредственно в чёрную дыру. Лебедь X-1 был предметом шутливого пари между Стивеном Хокингом и Кипом Торном в 1974 году. Хокинг ставил на то, что Лебедь X-1 не является чёрной дырой. Он признал поражение в 1990, когда данные наблюдений укрепили уверенность в наличии гравитационной сингулярности в системе. Однако, в 2011 году уже Кип Торн признал наличие чёрной дыры после того, как были опубликованы три статьи, завершившие описание Лебедя X-1.

  • M33 X-7 — двойная звёздная система в галактике Треугольника, примерно в 3 миллионах световых лет от Солнечной системы. Это одна из самых далёких известных чёрных дыр от нас. Система состоит из горячей голубой звезды, массой в 70 солнечных и темного объекта массой около 15,7 солнечных, что намного превышает максимально возможную массу нейтронной звезды, следовательно он относится к чёрным дырам. Общая масса системы оценивается в 86 солнечных, что делает её одной из самых массивных двойных систем. M33 X-7 является самой массивной известной чёрной дырой звёздной массыhello_html_75f8b1de.jpg

  • NGC 4889 — гигантская эллиптическая галактика (E) в созвездии Волосы Вероники. Наиболее яркая галактика скопления галактик Кома (или Волосы Вероники), находится возле центра скопления. В центре галактики обнаружена сверхмассивная чёрная дыра с массой около 21 млрд солнечных масс; измерения распределения скоростей звёзд вблизи от центра позволяют сказать, что масса чёрной дыры укладывается в диапазон 6—37109 масс Солнца с доверительной вероятностью 68 %. Это первое обнаружение настолько массивной чёрной дыры, не являющейся квазаром. Для сравнения, масса чёрной дыры в центре нашей Галактики на 3 порядка меньше (4,3106 масс Солнца).hello_html_m492b9a98.jpg



Messier 87 (M 87, Virgo A (Дева А)) — сверхгигантская эллиптическая галактика, крупнейшая в созвездии Девы. В центре галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, которая делает ядро галактики активным. Этот объект является мощным источником различного излучения, особенно радиоволн. 10 апреля 2019 года было опубликовано первое изображение этой черной дыры.Согласно полученным данным она расположена в 55 миллионах световых лет от Земли и имеет массу 6,5109 масс Солнца.



Использование черных дыр как источника энергии



На данный момент одним из главных направлений в астрофизике является не только описание черных дыр, но и поиск различных способов использования их энергии. Это объясняется тем что данные космические объекты могут предоставить практически бесконечные источники энергии, которые будут все еще функционировать, даже в тот момент, когда во вселенной потухнет последняя звезда, тем самым предоставляя человеческому роду возможность жить и процветать целую вечность. О различных возможностях получения данной энергии далее и будет идти речь.



Процесс Пенроуза

В 1969 г. Роджер Пенроуз теоретически доказал, что из эргосферы черной дыры можно черпать энергию. Если какая-то частица, обладающая определенной энергией, попадет в эргосферу и разлетится на два осколка, один из которых имеет отрицательную энергию (и собственный момент импульса—спин, противоположный моменту импульсе черной дыры), то этот осколок упадет в черную дыру, тогда как другой осколок (в соответствии с законом сохранения энергии и импульса) вылетит из эргосферы с энергией, Превышающей первоначальную энергию всей частицы в целом. В принципе энергию вылетевшего осколка можно использовать для совершения полезной работы. Падение частицы и вылет за пределы эргосферы одного из ее осколков приводят к уменьшению полной массы-энергии черной дыры, а многократное повторение этого процесса должно вызвать потерю значительной части массы-энергии черной дыры. Максимальный прирост энергии одного такого осколка согласно расчетам не превышает 20,7%. Однако здесь есть определенные ограничения. Падение в черную дыру частиц со спином, противоположным ее собственному моменту импульса, вызывает замедление вращения черной дыры, и, как только вращение прекращается, дальнейшее извлечение энергии таким методом становится невозможным. Если мы начнем черпать энергию из черной дыры, вращающейся с максимальной допустимой скоростью (предельная керровская черная дыра), то к моменту ее полной остановки мы сможем извлечь 29% ее первоначальной массы-энергии, а это очень много: ядерные реакции, идущие в недрах звезд, далеко не столь эффективны—в них только около 1% массы вещества превращается в энергию. Рассмотренный Пенроузом процесс говорит о том, что потенциально вращающиеся черные дыры могут служить самыми мощными источниками энергии во Вселенной.

Если запустить в экзосферу черной дыры ракету, которая включится над горизонтом событий и вылетит назад, то при определенном соотношении между массой ракеты, массой выброшенного топлива и его скорости истечения полная энергия вылетевшей ракеты (кинетическая энергия + масса покоя) будет превышать исходную суммарную энергию, запасенную в массе покоя ракеты и топлива. Избыток энергии будет взят от черной дыры, скорость вращения которой чуть-чуть уменьшится. Вспомним, что черная дыра создает огромные приливные силы, которые могут разорвать любой объект, к ней приблизившийся. Но простые оценки показывают, что стальной предмет размером с пулю легко выдержит приливное воздействие при пролете в непосредственной близости от горизонта рядовой черной дыры весом в 10 масс Солнца. А у более крупных черных дыр приливное воздействие меньше.



Можно представить такой фантастический сценарий: цивилизация, обитающая в системе с черной дырой и запускающая межзвездные зонды, самособирающиеся из миниатюрных запчастей, разогнанных до околосветовых скоростей черной дырой. Зона влияния такой цивилизации будет распространяться вдоль линии пересечения галактического диска с плоскостью, перпендикулярной оси вращения дыры. Для того чтобы получить положительный выход энергии с помощью эффекта Пенроуза, скорость выброса топлива из ракеты должна превышать половину скорости света.







Процесс Блэнфорда — Знаека



Процесс Блэнфорда — Знаека — еще один механизм извлечения энергии из вращающейся чёрной дыры, представленный Роджером Блэнфордом и Романом Знаеком в 1977 году. Это одно из лучших объяснений того, как работают квазары. Как и в процессе Пенроуза, эргосфера играет важную роль в процессе Бландфорда — Знаека. Чтобы извлечь энергию и угловой момент из чёрной дыры, электромагнитное поле вокруг дыры должно быть изменено магнитосферными токами. Для возбуждения таких токов, электрическое поле не должно быть экранировано. Следовательно, вакуумное поле, созданное в эргосфере удалёнными источниками, должно иметь неэкранированную компоненту. Наиболее предпочтительным способом обеспечения этого является каскад электрон-позитронных пар в сильном электрическом и радиационном поле. Поскольку эргосфера заставляет магнитосферу внутри неё вращаться, выходящий поток момента импульса приводит к извлечению энергии из чёрной дыры. Процесс Блэнфорда — Знаека требует наличия аккреционного диска с сильным полоидальным магнитным полем вокруг вращающейся чёрной дыры. Магнитное поле извлекает энергию вращения, и мощность может быть оценена как плотность энергии при скорости света в области временного цилиндра. Если взять черную дыру в 10 солнечных масс наложить на нее магнитное поле с индукцией, равной индукции магнитного поля у поверхности Земли, то в нагрузке за секунду будет выделятся энергия, эквивалентная нескольким сотням граммов массы. Это где-то в тысячу раз превышает мировое потребление энергии человечеством в настоящее время. Если же увеличить магнитное поле до 10 тесла, то вырабатываемая мощность сравняется со светимостью Солнца. Мощность квадратично зависит от магнитного поля и от массы дыры.hello_html_468f6642.png
hello_html_2575bf7d.jpg

Сверхизлучение



В астрофизике сверхизлучением называется явление усиления падающих на вращающуюся чёрную дыру волн. В 1971 году подобное рассеяние с увеличивающейся энергией описал Яков Зельдович. Физик указал, что быстро вращающаяся металлическая сфера может вынужденно и спонтанно испускать электромагнитные волны. Более того, источником частиц может быть и вращающаяся керровская черная дыра — этот неожиданный факт стал итогом дискуссии Зельдовича с Кипом Торном. Явление сверхизлучения в астрофизике объясняется взаимодействием падающей волны с вращающейся чёрной дырой. В результате этого взаимодействия изменяются масса, угловой момент и электрический заряд вращающейся чёрной дыры. В некоторых случаях возможно уменьшение массы чёрной дыры и за счёт этого рассеянная чёрной дырой волна обладает большей энергией, чем падающая. Данный эффект похож на эффект усиления волн вращающимися поглощающими телами. Это явление так же может использоваться как источник энергии. Окружим черную дыру сферическим зеркалом таким образом, чтобы оно полностью закрывало ее. Если приокрыть часть зеркала и запустить внутрь электромагнитную волну, то некоторая ее часть пройдет сквозь эргосферу и приобретет часть энергии вращения черной дыры. Затем она отразится от зеркала и снова усилится эргосферой и будет повторять этот процесс снова и снова. Однако данный метод является очень нестабильным, т.к. усиление волн происходит по экспоненте, а значит если переодически не извлекаться полученные усиленные волны, то данный процесс может привести к взрыву, равный по силе взрыву сверхновой. В теории данный механизм способен обеспечивать потребителя энергией на триллионы лет.























Актуальные проблемы изучения черных дыр



В настоящее время идет активный процесс изучения черных дыр. Однако, как и во всей астрофизике многие явления остаются необъяснимыми и существуют на уровне теорий и гипотез, подогнанных под общие теории строения и функционирования вселенной (ОТО, квантовая механика и теория струн).Далее мы рассмотрим самые интересные вопросы которые возникли у ученых в попытках раскрыть тайны эти космических тел.

Принцип космической цензуры

Принцип «космической цензуры» был сформулирован в 1970 году Роджером Пенроузом в следующей образной форме: «Природа питает отвращение к голой сингулярности». Он гласит, что сингулярности пространства-времени появляются в таких местах, которые, подобно внутренним областям чёрных дыр, скрыты от наблюдателей. Близким, хотя и отличным от этого понятием является топологическая цензура.



До осени 2017 года были основания сомневаться в его абсолютной правильности (например, коллапс пылевого облака с большим угловым моментом приводит к «голой сингулярности», но неизвестно, стабильно ли это решение уравнений Эйнштейна относительно малых возмущений начальных данных. В своей работе, опубликованной в октябре 2017 года, математики Михалис Дафермос и Джонатан Лак доказали, что сильная форма космической цензуры, относящегося к странной структуре чёрных дыр, неверна. Формулировка Пенроуза (сильная форма космической цензуры) предполагает, что пространство-время в целом является глобально гиперболическим. Позднее С. Хокинг предложил другую формулировку (слабую форму космической цензуры), где предполагается только глобальная гиперболичность «будущего» компонента пространства-времени.



Информационный парадокс

Исчезновение информации в чёрной дыре — явление, которое должно происходить в чёрной дыре, если она действительно подчиняется термодинамическому описанию, предложенному Стивеном Хокингом. Это явление, однако, несовместимо с общими принципами квантовой механики и потому представляет собой серьёзнейшую проблему, стоящую перед квантовой гравитацией. Согласно современным представлениям, невращающаяся и незаряженная чёрная дыра задаётся всего одним независимым параметром — своей массой. Это означает, что если бросить в чёрную дыру какое-либо тело определённой массы, то совершенно не важно, что это было за тело и в каком внутреннем состоянии оно находилось: свойства чёрной дыры после поглощения тела будут зависеть только от её новой массы. Про это явление иногда говорят «у чёрной дыры нет волос» («No-hair theorem»), то есть все невращающиеся и незаряженные чёрные дыры одинаковой массы неотличимы друг от друга. Это, в частности, означает, что чёрная дыра, получившаяся из гравитационного коллапса вещества, и чёрная дыра той же массы, получившаяся из гравитационного коллапса антивещества, с точки зрения внешнего наблюдателя ничем не различаются. Таким образом, в процессе гравитационного коллапса для внешнего наблюдателя нарушаются законы сохранения квантовых чисел, а значит нарушается главный принцип квантовой механики – информация не может быть потерянна, а только приобразованна.



В рамках классической (неквантовой) теории гравитации чёрная дыра — объект неуничтожимый. Она может только расти, но не может ни уменьшиться, ни исчезнуть совсем. Это значит, что в принципе возможна ситуация, что попавшая в чёрную дыру информация на самом деле не исчезла, она продолжает находиться внутри чёрной дыры, но просто ненаблюдаема снаружи. Иная разновидность этой же мысли: если чёрная дыра служит мостом между нашей Вселенной и какой-нибудь другой Вселенной, то информация, возможно, просто перебросилась в другую Вселенную.



Однако, если учитывать квантовые явления, гипотетический результат будет содержать противоречия. Главный результат применения квантовой теории к чёрной дыре состоит в том, что она постепенно испаряется благодаря излучению Хокинга. Это значит, что настанет такой момент, когда масса чёрной дыры снова уменьшится до первоначального значения (перед бросанием в неё тела). Таким образом, в результате становится очевидно, что чёрная дыра превратила исходное тело в поток разнообразных излучений, но сама при этом не изменилась (поскольку она вернулась к исходной массе). Испущенное излучение при этом совершенно не зависит от природы попавшего в неё тела. То есть, чёрная дыра уничтожила попавшую в неё информацию.



В этой ситуации становится очевидным следующий парадокс. Если мы рассмотрим падения в чёрную дыру и последующее испарение для квантовой системы, находящейся в каком-либо чистом состоянии, то — поскольку чёрная дыра в результате не изменилась — получим преобразование исходного чистого состояния в «тепловое» (смешанное) состояние. Такое преобразование неунитарно, а вся квантовая механика строится на унитарных преобразованиях. Таким образом, эта ситуация противоречит исходным постулатам квантовой механики.



Разрешение этого противоречия — необходимый шаг на пути построения квантовой гравитации. Поскольку проблема состоит в том, что две физические теории противоречат друг другу, когда мы их пытаемся применить к чёрной дыре, в принципе не исключено, что одна из этих теорий просто перестаёт работать в данном случае. Так, например, высказывались мнения, что квантовая механика перестаёт работать в сверхсильных гравитационных полях. Другой вариант разрешения заключается в том, что излучение Хокинга, возможно, не совсем хаотично-тепловое, то есть между излучаемыми частицами могут быть некоторые корреляции, которые кодируют попавшую в чёрную дыру информацию. Таким образом, чёрная дыра не будет уничтожать информацию. Так же, возможен вариант, что черная дыра создает кротовую нору в другую вселенную, в которой и будет хранится информация о попадающих в дыру объектах.

Еще одним вариантом решения данной проблемы может быть так называемый голографический принцип — гипотеза, выдвинутая в 1993 году знаменитым нидерландским физиком-теоретиком Герардом т' Хофтом. Являясь частью теории струн, применимой ко всей вселенной, этот принцип может являться универсальным решением информационного парадокса. Главное следствие из этой теории заключается в том что вся информация, содержащаяся в некой области пространства, может быть представлена как «голограмма» — теория, которая «живёт» на границе этой области, 3D объект закодированных на плоскости. А значит, рассматривая черную дыру мы можем утверждать: информация о ней, а также о поглощённых объектах находится на горизонте событий. Это далеко не значит что мы сможем расшифровать ее, но по крайне мере она не исчезает, поэтому принципы квантовой механики продолжают работать.



Кротовые норы

Кротовая нора, также «кротовина» или «червоточина» (последнее является дословным переводом англ. wormhole) — гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве. Данный объект является самым загадочным следствием из существования черных дыр

Самый известный тип кротовой норы - мост Эйнштейна — Розена, представляет собой теоретический метод пронзания пространства и времени так, что можно соединить две точки в космосе вместе. И затем переместиться мгновенно из одной в другую. Классический пример демонстрации червоточины: рисуем две точки на бумаге, а затем складываем бумагу и карандашом пронзаете обе точки. Однако с точки зрения физики этот процесс гораздо сложнее. Альберт Эйнштейн и физик Натан Розен решили, что можно запутать пространство-время так тесно, что две точки будут разделять одно и то же физическое местоположение. Если вам затем удастся стабилизировать все это, вы сможете осторожно разделить две области пространства-времени так, что они будут в одном месте, но на любом расстоянии друг от друга.



Нырните в гравитационный колодец по одну сторону червоточины и мгновенно окажетесь на другой стороне. За миллионы или миллиарды световых лет. И хотя червоточины теоретически возможно создать, на практике, из того, что мы знаем на текущий момент, это практически невозможно.



Первая крупная проблема заключается в том, что червоточины непроходимы в соответствии с общей теорией относительности. Физика, которая предсказывает эти вещи, не позволяет использовать их в качестве метода транспортировки, поэтому практического смысла для человечества в них нет. Второе, даже если червоточины возможно создать, они будут совершенно нестабильны и коллапсируют сразу после образования. Если вы попытаетесь пройти в один конец, вы можете запросто угодить в черную дыру. В-третьих, даже если они будут проходимы и стабильны, попытка какого-нибудь материала пройти через них — даже фотонов света — может привести к коллапсу.



Впрочем, есть проблеск надежды, поскольку физики до конца не выяснили, как объединить гравитацию и квантовую механику. Это значит, что Вселенная сама по себе может скрывать сведения о червоточинах, которых мы пока не понимаем. Существует возможность, что они появились естественным образом как часть Большого Взрыва, когда пространство-время всей Вселенной было запутано в сингулярность. Астрономы предлагали искать червоточины в космосе, наблюдая за тем, как их гравитация искажает свет звезд за ними. Но пока ничего не нашли. Существует также возможность, что червоточины появляются естественным образом, подобно виртуальным частицам, которые, как мы знаем, существуют. Только будут чрезвычайно малыми, в планковских масштабах. Вам понадобится маленький космический аппарат.



Одно из самых увлекательных последствий червоточин в том, что их можно использовать для путешествий во времени. Вот как это работает. Во-первых, создадим червоточину в лаборатории. Затем возьмем один конец червоточины, поместим на космический аппарат и полетим со скоростью, близкой к световой, так, чтобы сработал эффект замедления времени. Для людей на космическом корабле пройдет всего несколько лет, тогда как на Земле пройдут сотни или даже тысячи лет. Если удастся поддерживать червоточину стабильной, открытой и проходимой, путешествовать через нее было бы весьма интересно. Если вы пройдете в одном направлении, вы не только преодолеете расстояние между червоточинами, но и переместитесь из одного времени в другое. Причем работать это должно в обоих направлениях, туда и обратно. Некоторые физики вроде Леонарда Сасскинда считают, что это не сработает, потому что нарушает два фундаментальных принципа физики: сохранение локальной энергии и принцип неопределенности энергии-времени.



К сожалению, кажется, что червоточины должны оставаться в области научной фантастики в обозримом будущем и, возможно, навсегда. Даже если появится возможность создать червоточину, ее придется поддерживать стабильной и открытой, а также выяснить, как не дать материи в ней коллапсировать. Впрочем, если мы когда-нибудь совершим этот подвиг, вопрос с путешествиями в космосе будет решен.







































Заключение



Несмотря на то, что в данной работе я постарался коснуться практически всех возможных аспектов черных дыр, в данной теме есть еще множество нового и неизведанного. Астрофизика – это наука, которая ставит перед учеными поистине масштабные задачи, целью которой является ответ на фундаментальные вопросы вселенной, человеческого бытия. Работая даже с самой малой ее частью, доступной простому обывателю, масштабы задач, исследований и результатов поистине восхищают, и заставляют задуматься о вечных вещах, которые люди обычно забывают в будничной суете. Выполнив все цели данной работы, я еще раз убедился в том, что черные дыры несомненно засуживают внимания ученых и требуют дальнейшего изучения.


Такие космические объекты, как черные дыры, поистине захватывают дух. Ведь само их существование является лишь еще одним доказательством того, что человечество далеко не на пределе своего развития, и есть множество вещей, которым мы еще не можем дать точного определения. Но вместе с этим изучение этих загадочных тел символизирует вечное стремление человека к вершинам познания этого мира. Как Ньютон стремился объяснить фундаментальные законы природы, так и через 3 века после него Эйнштейн и Хокинг бились над теми же вопросами, стараясь применить свои теории к еще большему количеству объектов вселенной. И возможно, именно благодаря их исследованиям, человечество всегда будет иметь шанс на выживание в этом холодном недружелюбном космосе. Когда угаснет последняя звезда, человечество не уйдет в небытие вместе с ней, а продолжит свое существование, возможно, на орбите черной дыры.



Именно поэтому данная научная работа не только позволила мне узнать много нового о космосе, об эволюции вселенной, о будущем человечества в этом мире, но и лишний раз напомнила: главное в жизни заключается в преодолении невозможного, в поиске ответов на, казалось бы, необъяснимые вопросы , в необходимости постоянного развития и преодоления новых горизонтов сознания.

  • Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
    Пожаловаться на материал
Скачать материал
Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:
также Вы можете выбрать тип материала:
Проверен экспертом
Общая информация
Учебник: «Астрономия (базовый уровень)», Воронцов-Вельяминов Б.А., Страут Е.К.
Тема: 6. Строение и эволюция Вселенной

Номер материала: ДБ-621571

Скачать материал

Вам будут интересны эти курсы:

Курс профессиональной переподготовки «Управление персоналом и оформление трудовых отношений»
Курс профессиональной переподготовки «Клиническая психология: организация реабилитационной работы в социальной сфере»
Курс повышения квалификации «Организация практики студентов в соответствии с требованиями ФГОС юридических направлений подготовки»
Курс профессиональной переподготовки «Логистика: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс повышения квалификации «Специфика преподавания астрономии в средней школе»
Курс повышения квалификации «Страхование и актуарные расчеты»
Курс профессиональной переподготовки «Астрономия: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс профессиональной переподготовки «Организация деятельности секретаря руководителя со знанием английского языка»
Курс профессиональной переподготовки «Управление сервисами информационных технологий»
Курс профессиональной переподготовки «Разработка эффективной стратегии развития современного вуза»
Курс профессиональной переподготовки «Политология: взаимодействие с органами государственной власти и управления, негосударственными и международными организациями»
Курс профессиональной переподготовки «Техническая диагностика и контроль технического состояния автотранспортных средств»
Курс профессиональной переподготовки «Теория и методика музейного дела и охраны исторических памятников»
Курс профессиональной переподготовки «Технический контроль и техническая подготовка сварочного процесса»

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.