Реферати українською » Авиация и космонавтика » Чорні діри: об'єкти космічних досліджень


Реферат Чорні діри: об'єкти космічних досліджень

Страница 1 из 2 | Следующая страница

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РЕСПУБЛІКИ БІЛОРУСЬ

Заснування освіти

«БРЕСТСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ А. З. ПУШКІНА»

Фізичний факультет

Кафедра теоретичної фізики та астрономії

Курсова робота з спеціалізації «Теоретична фізика»

Чорні діри: об'єкти космічних досліджень


Брест 2010

 


Зміст

Запровадження

Історія ідеї про чорні діри

Властивості чорних дір

Небесна механіка чорних дір

Чорні діри і світло

Пошук чорних дір

Укладання

Список літератури


Запровадження

Як відомо, чорної дірою називається область простору-часу, у якій гравітаційного поля бо так, що й світло неспроможна залишити цю галузь. Це відбувається, якщо розміри тіла менший за нього гравітаційного радіуса

де G - стала тяжіння, з - швидкість світла, М - маса тіла.Гравитационний радіус Сонця 3 км, Землі - близько 9 мм.

Загальна теорія відносності А. Ейнштейна пророкує дивовижні властивості чорних дір, у тому числі найважливіше - наявність в чорної діри горизонту подій. Дляневращающейся чорної діри радіус горизонту подій збігаються з гравітаційним радіусом. На обрії подій для зовнішнього спостерігача хід часу зупиняється. Космічний корабель, посланий до чорну дірку, з погляду далекого спостерігача, будь-коли перетне обрій подій, а буде безупинно сповільнюватися з наближенням щодо нього. Усі, що відбувається під обрієм подій, всередині чорної діри, зовнішній спостерігач вбачає. Космонавт у своїй кораблі у принципі здатний проникнути під обрій подій, але передати певну інформацію зовнішньому спостерігачеві не зможе. У цьому космонавт, вільно падаючий під обрієм подій, мабуть, побачить іншу Всесвіт, і навіть своє майбутнє ... Пов'язано це про те, що в чорної діри просторова і тимчасова координати змінюються місцями, і подорож у просторі тут замінюється подорожжю у часі. Ще незвичні властивості обертових чорних дір. Але вони обрій подій має менший радіус, і занурений він всерединуергосфери - області простору-часу, у якій тіла повинні безупинно рухатися, підхоплені вихровим гравітаційним полем обертовою чорної діри.

Настільки незвичних властивостей чорних дір багатьом здаються просто фантастичними, тож існування чорних дір у природі часто сумнівається. Проте, забігаючи вперед, відзначимо, що, відповідно до новітнім спостережною даним, чорні діри і справді є і це притаманні дивовижні властивості.

 


Історія ідеї про чорні діри

Англійський геофізик і астроном ДжонМичелл (>J.Michell, 1724–1793) припустив, що у природі можуть існувати настільки масивні зірки, що й промінь світла неспроможний залишити їх поверхню. Використовуючи закони Ньютона,Мичелл розрахував, якби зірка з безліччю Сонця мала радіус трохи більше 3 км, то навіть частки світла (що він, за Ньютоном, вважавкорпускулами) могли б полетіти далеке від такий зірки. Тому така зірка здавалось би здалеку абсолютно темній. Цю ідеюМичелл представив на засіданні Лондонського Королівського суспільства 27 листопада 1783. Так народилася концепція «>ньютоновской» чорної діри.

Таку ж ідею висловив у своїй книжці «Система світу» (1796) французький математик і астроном П'єр СимонЛаплас. Простий розрахунок дозволив йому написати: «>Светящаяся зірка з щільністю, рівної щільності Землі, і з діаметром, в 250 раз великим діаметра Сонця, це не дає жодному світловому променю досягти нас через своє тяжіння; тому можливо, що яскраві небесні тіла у Всесвіті виявляються через це невидимими». Проте маса такий зірки мусила кілька десятків мільйонів раз перевершувати сонячну. Позаяк подальші астрономічні виміру показали, що маси реальних зірок невідь що дуже різняться від сонячної, ідея Мітчела іЛапласа про чорні діри забули.

Вдруге вчені «зіштовхнулися» із чорними дірами в 1916, коли німецький астроном КарлШварцшильд отримав перше точне рішення рівнянь щойно тоді Альбертом Ейнштейном релятивістської теорії гравітації – загальної теорії відносності (ОТО). Виявилося, що порожній простір навколо масивною точки має особливістю з відривомrg від нього; саме тому величинуrg часто називають «>шварцшильдовским радіусом», а відповідну поверхню (обрій подій) –шварцшильдовской поверхнею. Наступні півстоліття зусиллями теоретиків розкрили багато дивовижні особливості рішенняШварцшильда, але, як реальний об'єкт дослідження чорні діри ще розглядалися.

Щоправда, в 1930-ті, після створення квантової механіки і нові відкриття нейтрона, фізики досліджували можливість формування компактних об'єктів (білі карлики і нейтроннихзвезд)как продуктів еволюції нормальних зірок. Оцінки показали, що тільки після виснаження у надрах зірки палива, її ядро може стиснутися перетворитися на маленькі груди й дуже щільний білий карлик або ж ще більше щільну і зовсім крихітну нейтронну зірку.

У 1934 що працювали США європейські астрономи Фріц Цвіккі і ВальтерБааде висунули гіпотезу – спалахи наднових є цілком особливий тип зоряних вибухів, викликаних катастрофічним на стиснення ядра зірки. Так вперше народилася ідея про можливість спостерігати колапс зірки.Бааде і Цвіккі висловив припущення, у результаті вибуху наднової утворюєтьсясверхплотнаявирожденная зірка, що складається з нейтронів. Розрахунки довели, такі об'єкти таки народжуватися і "бути стійкими, але тільки при помірної початковій масі зірки. Але якщо маса зірки перевищує три маси Сонця, то вже зможе зупинити її катастрофічного колапсу.

1939-го американські фізики Роберт Опенгеймер іХартланд Снайдер обгрунтували висновок, що ядро масивною зірки має безперервноколлапсировать в гранично малий об'єкт, властивості простору навколо якого (якщо він обертається) описуються рішеннямШварцшильда. Інакше кажучи, ядро масивною зірки наприкінці її еволюції має стрімко стискатися і йти під обрій подій, стаючи чорної дірою. Але оскільки такий об'єкт (як кажуть тоді, «>коллапсар», чи «застигла зірка») не випромінює електромагнітні хвилі, то астрономи розуміли, що знайти їх у космосі буде неймовірно важко зберегти й тому так важко бралися для пошуку.

Оскільки ніякої носій інформації неспроможний вийти з-під горизонту подій, внутрішня частина чорної дірипричинно пов'язана з іншої Всесвіту, що відбуваються всередині чорної діри фізичні процеси що неспроможні проводити процеси за її межами. У той самий час, речовина і випромінювання, падаючі зовні на чорну діру, вільно проникають всередину через обрій. Можна сміливо сказати, що чорна діра все поглинає і щось випускає. Через це й маля народилося термін «чорна діра», запропонований в 1967 американським фізиком ДжономАрчибальдомУилером.

 

Властивості чорних дір

Поблизу чорної діри напруженість гравітаційного поля такою великою, що фізичні процеси там можна описувати лише за допомогою релятивістської теорії тяжіння. Відповідно до ОТО, простір та палестинці час викривляються гравітаційним полем масивних тіл, причому найбільше викривлення відбувається поблизу чорних дір. Коли фізики говорять про інтервалах часу й простору, вони теж мають у вигляді числа, лічені з будь-яких фізичних годинників та лінійок. Наприклад, роль годин може грати молекула з певною частотою коливань, кількість яких між двома подіями можна називати «інтервалом часу».

Важливо, що гравітація на всі фізичні системи однаково: Усі годинники показують, що час сповільнюється, проте лінійки, що простір розтягується поблизу чорної діри. Це означає, що чорна діра викривляє навколо себе геометрію простору й часу. Вдалині від чорної діри це викривлення мало, а поблизу велика, що промені світла можуть рухатися навколо навкруг. Вдалині від чорної діри її полі тяжіння з точністю описується теорією Ньютона для тіла той самий маси, але поблизу гравітація стає значно сильніші за, ніж пророкуєньютонова теорія.

Якщо можна було цікаво спостерігати в телескоп за зіркою в останній момент її перетворення на чорну діру, то спочатку було б зрозуміло, як зірка дедалі швидше і швидше стискається, зате принаймні наближення його поверхні до гравітаційному радіусу стиснення почне сповільнюватися, доки зупиниться зовсім. У цьому приходячи від зірки світло слабшатиме і червоніти поки що не потухне. Це тому, що, долаючи силу тяжкості, фотони втрачають енергію та їм потрібно дедалі більше часу, щоб дістатися нас. Коли поверхню зірки досягне гравітаційного радіуса,покинувшему її світу знадобиться нескінченне час, щоб домогтися будь-якого спостерігача, навіть розташованого порівняно близько до зірці (і навіть фотони повністю втратять свою енергію). Отже, ми будь-коли дочекаємося цього й, тим паче, не побачимо те, що відбувається з зіркою під обрієм подій, але теоретично той процес досліджувати можна.

Розрахунок ідеалізованого сферичного колапсу показує, що з короткий час речовина під обрієм подій стискається в точку, де досягаються нескінченно великі значення щільності і тяжіння. Таку точку називають «>сингулярностью». Понад те, математичний аналіз показує, що й виник обрій подій, то навітьнесферический колапс призводить до сингулярності. Проте, усе це вірно лише тому випадку, якщо загальна теорія відносності застосовна до дуже малих просторових масштабів, у яких ми маємо впевненості. У мікросвіті діють квантові закони, а квантова теорія гравітації ще створена. Зрозуміло, що квантові ефекти що неспроможні зупинити стиснення зірки в чорну діру, тоді як запобігти появі сингулярності вони б.

Вивчаючи фундаментальні властивості матерію та простору-часу, фізики вважають дослідження чорних дір однією з найважливіших напрямів, оскільки поблизу чорних дір виявляються приховані властивості гравітації. Для поведінки речовини і випромінювання в слабких гравітаційних полях різні теорії тяжіння дають майже нерозрізнені прогнози, однак у сильних полях, притаманних чорних дір, передбачення різних теорій істотно відрізняються, що дозволяє ключі до виявлення найкращою з-поміж них. У межах найпопулярнішої зараз теорії гравітації – ОТО Ейнштейна – властивості чорних дір вивчені дуже докладно. Ось лише деякі найважливіші їх:

1) Поблизу чорної діри час тече повільніше, ніж далеко від неї. Якщо віддалений спостерігач кине убік чорної діри запалений ліхтар, то побачить, як ліхтар падатиме дедалі швидше і швидше, але потім, наближаючись доШварцшильда, почне сповільнюватися, яке світло буде тьмяніти і червоніти (оскільки сповільниться темп коливання усіх її атомів і молекул). З погляду далекого спостерігача ліхтар практично зупиниться і став невидимий, не зумівши перетнути поверхню чорної діри. Але якби спостерігач сам стрибнув туди разом із ліхтарем, він швидко перетнув б поверхнюШварцшильда і впав до центра чорної діри, будучи у своїй розірваний її потужними приливними гравітаційними силами, виникаючими через різницю тяжіння різними відстанях від центру.

2) Хоч би яким складним не було вихідне тіло, саме його стискування в чорну діру зовнішній спостерігач може лише три його параметра: повну масу, момент імпульсу (пов'язані з обертанням) і електричний заряд. Решта особливості тіла (форма, розподіл щільності, хімічний склад парламенту йт.д.)в ході колапсу «стираються». Те, що з стороннього спостерігача структура чорної діри виглядає надзвичайно простий, ДжонУилер висловив жартівливою твердженням: «Чорна діра немає волосся».

У процесі колапсу зірки в чорну діру за невелику частину секунди (щогодини віддаленого спостерігача) її зовнішні особливості, пов'язані із вихідною неоднорідністю, випромінюються як гравітаційних і електромагнітних хвиль. Новоутворена стаціонарна чорна діра «забуває» усю інформацію про вихідної зірці, крім трьох величин: повної маси, моменту імпульсу (що з обертанням) і електричного заряду. Вивчаючи чорну діру, вже неможливо дізнатися, полягала чи вихідна зірка з речовини чи антиречовини, була вона витягнутої чи сплюсненої тощо. У реальних астрофізичних умовах заряджена чорна діра буде викликати до собі з міжзоряному середовища частки протилежного знака, і його заряд швидко стане нульовим. Залишившись стаціонарний об'єкт або перебуватименевращающейся «>шварцшильдовой чорної дірою», що характеризується лише масою, або обертовою «>керровской чорної дірою», що характеризується масою і моментом імпульсу.

3) Якщо вихідне тіло оберталося, то навколо чорної діри зберігається «вихрове» гравітаційного поля, захопливе все сусідні тіла у обертальне рух навколо. Поле тяжіння обертовою чорної діри називають полемКерра (математик РойКерр в 1963 знайшов рішення відповідних рівнянь). Цей ефект характерний як для чорної діри, але нічого для будь-якого обертового тіла, навіть Землі. Через це розміщений на штучному супутнику Землі вільно обертався гіроскоп відчуває повільну прецесію щодо далеких зірок. Поблизу Землі цей ефект ледь помітний, але поблизу чорної діри він виражений набагато більше: за швидкістю прецесіїгироскопа можна виміряти момент імпульсу чорної діри, хоча само собою воно не видно.

Чим ближче до ми наближаємося обрію чорної діри, тим більше стає ефект захоплення «вихровим полем». Перш ніж досягти горизонту, ми опинимося лежить на поверхні, де захоплення стає таким сильним, що жодного спостерігач неспроможна залишатися нерухомим (т. е. бути «статичним») щодо далеких зірок. І на цій поверхні (званої межею статичності) й усередині неї всі об'єкти повинні іти у орбіті навколо чорної дірок" у тому самому напрямі, у якому обертається сама діра. Незалежно від цього, яку потужність розвивають його реактивні двигуни, спостерігач всередині краю статичності не зможе зупинити своє обертальне рух щодо далеких зірок.

Межа статичності скрізь лежить поза обріїв та зтикається з нею лише двох точках, там, де їх обидва перетинаються з віссю обертання чорної діри. Область простору-часу, розташована між обрієм і межею статичності, називаєтьсяергосферой. Об'єкт, що уергосферу, ще довго можуть вирватися назовні. Тому, хоча чорна діра «все з'їдає і щось відпускає», тим щонайменше, може бути обмін енергією з зовнішнім простором. Наприклад,пролетающие черезергосферу частки чи кванти можуть нести енергію її обертання.

4) Усі речовина всередині горизонту подій чорної діри неодмінно падає до її по центру й утворює сингулярність із неймовірно величезною щільністю. Англійський фізик Стівен Хоукінг визначає сингулярність як «місце, де руйнується класична концепція простору й часу як і, як і відомі закони фізики, бо ті формулюються з урахуванням класичного простору-часу».

5) Крім цьогоС.Хоукинг відкрив можливість дуже повільного самовільного квантового «випаровування» чорних дір. У 1974 ж він довів, що чорні діри (як обертові, але будь-які) можуть випускати речовина

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

  • Реферат на тему: Чорні дірі
    >Реферат «>Чорні >діри» >Зміст >Вступ 1. Структура >чорної >діри 2. >Випромінювання >чорної >діри
  • Реферат на тему: Надзвичайні ситуації космічного характеру
    >Реферат тема: Надзвичайні ситуації космічного характеру. Зміст   1. Погрози з космосу 2.
  • Реферат на тему: Що таке Вальхалла
    Що таке >Вальхалла? /дослідження супутника Юпітера космічними апаратами/ Близько ми з
  • Реферат на тему: Що таке зірки
    Що таке зірки і як з'являються, із чого складаються, чому утворюються звёздные скупчення, які
  • Реферат на тему: Еволюція Всесвіту
    Історія еволюції всесвіту і найперші хвилини її життя. Теорія "Великого Вибуху", аналіз

Нові надходження

Замовлення реферату

Реклама

Навігація