Черные дыры Вселенной

Оглавление: 

I Введение.

II Основная часть.

Черная дыра – как последняя стадия эволюции звезд.

Обнаружение черных дыр.

Математическое описание.

Тесные двойные системы.

Гравитационные волны.

Разрушение звезд.

Черные дыры нагревают межгалактическое пространство.

Черная дыра может быть и “белой”.

Дыра во времени.

Небесная механика черных дыр.

Суперрадиация.

III Заключительная часть.

Заключение.

Использованные источники.

Введение.

Одними  из самых загадочных объектов во вселенной  являются черные дыры. Я не случайно выбрал эту тему. Черные дыры являются одновременно очень простыми и очень сложными в понимании. Черная дыра является порождением тяготения. Их тяжело изучать, т.к. они в данный момент времени недосягаемы для нас, но по расчетам математиков о них можно судить. Даже изучение этих объектов на расстоянии давалось с трудом (пока на орбиту не взошли рентгеновские обсерватории). Ведь свет не может покинуть горизонт событий черной дыры, поэтому об их существовании можно было судить только по мощному воздействию на окружающую материю. Поэтому в видимом спектре излучения такие объекты обнаружить нельзя. Это были сложности черных дыр. К простым чертам этих объектов можно отнести то что они не имеют химического состава и описываются только математическими законами гравитации Эйнштейна. Удивительно, но такие экзотические объекты устроены даже проще чем звезды. Поверхности, в нашем понимании, у нее нету. Характеризуются эти объекты в первую очередь массой, во вторую – моментом количества движения, в третью – электрическим зарядом. Сам термин “черная дыра” был введен в науку Джоном Уилером в 1968г для обозначения сколлапсировавшейся звезды. Еще Пьер Симон Лаплас в свое время уже догадывался о возможности существования таких объектов. Он писал: “Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми”. Основываясь только на законе тяготения Ньютона, Лаплас приходит к открытию того, что тела с огромной массой и повышенной плотностью не позволят излучению покидать их поверхность. Это было предвидением черных дыр. Однако реальные характеристики черных дыр отличны от лапласовских, так как они определяются теорией относительности Эйнштейна, уточняющей теорию Ньютона.

Основная  часть.

Черная  дыра – как последняя стадия эволюции звезд.

После выгорания  термоядерного вещества в звезде, масса которой сравнима с массой солнца, то свойства газа кардинально  меняются. Подобный газ называется вырожденным, а звезды, которые состоят  из него – вырожденными звездами (в  середине 20х годов итальянский физик Энрико Ферми разработал теорию, которая описывает свойства газов с плотностями, характерными для белых карликов. Давление такого газа не зависит от температуры. Оно остается высоким, даже если тело охладить до абсолютного нуля. Газ, обладающий такими свойствами получил название вырожденного. Эта теория хорошо объясняла наблюдаемые свойства белых карликов, поэтому их стали называть вырожденными звездами). После образования вырожденного ядра, горение продолжается в источнике вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звезда переходит в состояние, называемое красным гигантом. Оболочка такого гиганта достигает колоссальных размеров – в сотни радиусов солнца и за время 10-100 тысяч лет рассеивается в пространство. Сброшенная оболочка видна как планетарная туманность. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает, звезда превращается в белый карлик. Средняя плотность вещества белого карлика – 10⁹ кг/м³. Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Основной запас энергии белого карлика – колебательные движения ионов, которые при температуре нижу 15000K образуют кристаллическую решетку. У белых карликов есть предел массы(граница Чандрасекара, равная 1,4 массы Солнца), при превышении которого звезда превращается в нейтронную звезду (если она именно сколлапсирует, а не сбросит оболочку). В ходе коллапса резко повышается плотность вещества, протоны и электроны объединяются за счет мощного давления, и образуются нейтроны. Освободившуюся энергию в основном уносят нейтрино. Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывно возрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, при достаточной массе, приближаясь к скорости света. Коллапс обычно останавливается при плотности ~ 10¹⁷ кг/м³, либо выделившаяся энергия разрушает дыру, то есть коллапс перерастает во взрыв. Большинство нейтронных звезд образуются при коллапсе звезд с массой более 10 M_๏. Так как размеры звезды сильно сокращаются, то по закону сохранения вращательного импульса, резко возрастает частота вращения вокруг оси. Если масса нейтронной звезды больше 3 M_๏ (предел Оппенгеймера-Волкова), то звезда коллапсирует еще дальше – образуется черная дыра (маломассивная). Звезды с массой меньше 8 M_๏ оканчивают жизнь как белые карлики, между 8 и 45 M_๏ - как нейтронные звезды; черные дыры образуются только из звезд массивнее 45 M_๏. В типичной галактике типа нашей должно быть порядка 10⁷ – 10⁸ черных дыр звездных масс.

Время гравитационного  коллапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактной нейтронной звезды – только 1/20 000 секунды.

Обнаружение черных дыр.

Как известно, черные дыры нельзя обнаружить при помощи непосредственных наблюдений. Их можно обнаружить по мощному воздействию на окружающую материю и по рентгеновскому излучению, испускаемому веществом при аккреции. Не редко встречаются пары – массивная звезда и черная дыра по соседству. Первый кандидат на такую модель – пара обнаруженная в начале 70х годов. Здесь вращаются горячая голубая звезда, и, по всей вероятности, черная дыра, массой в 16 M_๏. Другая пара(v404) имеет невидимую массу в 16 M_๏. Еще одна подозреваемая пара – ренгеновский источник LMCX9 в 9 M_๏, находится в Большом Магеллановом облаке. Все эти случаи хорошо объединяются в рассуждения Джона Мишела о “темных звездах”:”Если звезда вращается вокруг невидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этого вращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этого центрального тела”. Два итальянских астронома, Луиджи Стелла и Марио Виертри, на основе данных, полученных со спутника RXTE, открыли искривление пространства вокруг нейтронной звезды, правда очень слабое. Уже создается спутник “Gravity Probe B”, который специально приспособлен для исследования теории относительности. Измерения параметров движения в центральной области нашей галактики вели1992 по 1998 год сотрудники института внеземной физики имени Макса Планка в Гаршинге(в Германии) под руководством А. Эскарта. Они определяли скорость перемещения звезд с помощью специального спектрометра. Оказалось, что с наибольшей скоростью движутся те звезды, которые расположены поблизости от объекта Стрелец А, который и раньше относили к семейству черных дыр. У звезд, удаленных от него всего лишь на 5 световых суток, скорость обращения вокруг центра превышает 1000 км/с. Вычисления показали, что что подобное движение может наблюдаться лишь в том случае, если в центре галактики находится объект, масса которого составляет 2,6 млн. масс солнца, а плотность такая, как если бы 2 триллиона солнц “втиснуть” в один кубический световой год. Такими свойствами может обладать лишь черная дыра, существующая порядка миллиона лет. О сходных результатах сообщила на конференции Американского астрономического общества А.М.Гез. Вместе со соими коллегами она вела наблюдения в том же инфракрасном диапазоне частот(2мкм), что и Эскарт, но на более мощном 10-метровом телескопе имени Кека на горе Мауна-Кеа на Гавайских островах. Они установили, что звезды, расположенные к центру галактики вдвое ближе, чем наблюдавшиеся немецкими астрономами, движуться со скоростью 3000 км/с. По мнению Гез, такую скорость может вызвать только черная дыра с массой 2,7 миллионов солнечных. При таких огромных величинах выводы обеих групп можно считать почти идентичными. Итак, в центре нашей галактики, по всей видимости, также находится черная дыра. Массивные черные дыры в нашей и соседних галактиках должны быть уменьшенными версиями тех сильно нестационарных явлений, что наблюдаются в активных галактических ядрах. Но последние слишком далеки, чтобы можно было проводить спектроскопическое исследование их динамики. Однако, оценки их светимости и теоретические ограничения на эффективность энерговыделения в сильных гравитационных полях показывают, что центральные темные массы там заключены в пределах 10⁷-10⁹ M_๏. Переменность излучения на малых временах также свидетельствует о малых размах излучающих областей; многие активные ядра сильнопеременны на временных шкалах порядка часа, что ограничивает область излучения масштабом светового часа. А такие большие массы в таких малых объемах не могут быть скоплениями звезд, потому аккрецирующие массивные черные дыры остаются единственным приемлемым объяснением. Несколько лет назад группа американских и японских астрономов направила свой телескоп на созвездие гончих псов, на находящуюся там спиральную туманность M106. Эта галактика удалена от нас на 20 млн. световых лет, но ее можно увидеть даже с любительского телескопа. Долгое время многие считали, что она такая же, как и другие галактики. При внимательном изучении оказалось, что у этой туманности есть одна особенность – в ее центральной части существует природный квантовый генератор – мазер. Это газовые облака, в которых молекулы газа благодаря, излучают радиоволны. Мазер позволяет точно определить свое местоположение и скорость облака, а в итоге и других небесных тел. Японский астроном Маното Мионис и его коллеги во время наблюдения туманности М106 обнаружили странное поведение ее мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра, удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтересовала скорость этого вращения – ближние слои (к черной дыре) облаков двигались со скоростью ~1110 км/с. Это говорит о том, что в центре сосредоточена огромная масса. По расчетам она оказалась равной 36 миллионам солнечных! Астрономы отбросили предположение, что такая масса вызвана скоплением звезд, достаточно тесно расположенных друг к другу, т.к. из-за своего движения они слиплись бы. Осталось наиболее верное предположение – такая масса вызвана наличием черной дыры. Американским ученым удалось зафиксировать рентгеновское излучение от супермассивных черных дыр, которые до недавнего времени считались тихими. Эти дыры существуют в центрах самых старых и самых массивных галактик и имеют массу, сравнимую с массой миллиардов солнц, сжатую до размеров солнечной системы. В то время, когда наибольший процент черных дыр излучают рентгеновские потоки, большинство массивных черных дыр рентгеновским излучением не обладают. Последние наблюдения показали, что “тихие” супермассивные черные дыры присутствуют во всех галактиках, в том числе и в нашей, и могут стать ключом в вопросе понимания происхождения вселенной.

С помощью космического спектрографа Хаббла удалось запечатлеть  “автограф” сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре галактики  М84. Несмотря на то, что гравитация не позволяет свету покинуть окрестность  черной дыры, ее присутствие можно обнаружить по падающему по спирали с огромным ускорением на поверхность черной дыры межзвездному веществу, скорость которого (определенная по эффекту Доплера), составляет примерно 380 км/с на расстоянии 26 световых лет от центра М84.

Два астронома  из университета Дарэма (Великобритания) д-ра Кристин Дон и Марек Гирлински представили для публикации в ежемесячном вестнике Королевского астрономического общества статью, в которой они обосновывают существование в космосе "настоящих" черных дыр, то есть объектов, не имеющих поверхности в обычном понимании этого слова. Дон и Гирлински провели исследования целого ряда известных горизонтов событий, чтобы определить разницу между объектами, которые считаются черными дырами и нейтронными звездами. Любая материя, захваченная мощным гравитационным полем любого из этих объектов, начинает двигаться по спирали к их центру, достигая при этом скорости, равной половине скорости света, и преобразуя часть гравитационной энергии в рентгеновское излучение. То есть тут все происходит одинаково. В случае "настоящей" черной дыры материя должна просто навсегда сгинуть в этой дыре, унеся туда оставшуюся у нее энергию, а в случае нейтронной звезды материя падает на ее поверхность, и при этом выделяется оставшаяся у этой материи энергия. Поэтому рентгеновское излучение нейтронных звезд и "настоящих" черных дыр должно выглядеть по разному. Дон и Гирлински в своих выводах опирались на данные, полученные космическим рентгеновским телескопом Rossi X-ray Timing Explorer за 6 лет наблюдений. И оказалось, что спектры рентгеновского излучения нейтронных звезд и черных дыр сильно отличаются, и отличаются они прежде всего наклоном огибающей спектра в коротковолновой и длинноволновых областях рентгеновского диапазона длин волн. Авторы считают, что это отличие можно объяснить только тем, что нейтронная звезда имеет поверхность, а черная дыра - нет. Совсем недавно орбитальный телескоп, носящий имя американского астронома Хаббла, передал на Землю эпохальные снимки. Они показывают центр крупной галактики "Центавр-А" (NGC 5128), расположенной по космическим меркам недалеко от Земли - десять миллионов световых лет. Находящаяся там массивная черная дыра "заглатывает" маленькую соседнюю галактику. Специальная фотокамера отчетливо показала окружающий галактику NGC 5128 темный пояс из пыли со множеством светящихся голубым цветом недавно рожденных звезд и пылевых сгущений, погруженных в газовые облака. Снимки, сделанные в инфракрасных лучах, помогли астрономам заглянуть за пылевой занавес. Они открыли там изогнутую шайбу горячего газа, которая всасывается в черную дыру. Этот пожиратель материи оказался очень компактным: он немного больше нашей солнечной системы и содержит массу, равную одному миллиарду солнц.

Самым надежным доказательством существования  черных дыр стало бы обнаружение излучаемых ими гравитационных волн. То, что гравитация способна распространяться подобно свету, известно с начала XX века, но до сих пор все попытки зафиксировать гравитационные волны оканчивались неудачей - слишком уж они слабы. Но техника постоянно совершенствуется, и сейчас в процессе создания находятся несколько гравитационных телескопов, как наземных, так и космических. Не исключено, что уже в первые годы работы они обнаружат вспышки гравитационного излучения, сопровождающие рождение одиночной дыры или слияние двух черных дыр.

Итак, имеются 3 способа обнаружения этих объектов:

1. Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать: в этой «пустоте» находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.

2. Черная дыра активно всасывает в себя материю из окружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне. И если из какой-то области Вселенной приходит такое излучение, можно с уверенностью сказать – там должна быть черная дыра.

3. При слиянии двух черных дыр возникает гравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования – пять миллиардов лет. Обнаружить гравитационное излучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других, которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российских исследователей.

Эффект Доплера  заключается в том, что линии  в спектре движущегося источника  смещены на величину пропорциональную скорости приближения или удаления от наблюдателя.

Математическое  описание.

Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно  вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую  скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет – это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, «убежавшего» на бескончно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой V²=2GM/R, где M – масса космического объекта, R – его радиус, G – гравитационная постоянная. Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название гравитационный радиус - r_g), при котором скорость убегания равна скорости света: r_g=2GM / c².