Поиск по сайту
Проект публикации книги «Познай самого себя»
Узнать, насколько это интересно. Принять участие.

Короткий адрес страницы: fornit.ru/922
Список основных тематических статей >>
Этот документ использован в разделе: "Теории мироздания"Распечатать
Добавить в личную закладку.

О черных дырах

О черных дырах

Черные дыры, пожалуй, одна из самых экзотических находок >теории относительности. Все, кто имеет какие-то причины сомневаться или недолюбливать эту теорию (речь, конечно же, не идет о ведущих специалистах теоретической физики) приводят черные дыры как пример особо нелепой изощренности и надуманности. Типа эти полудурки-ученые играются как дети :) Так ли это? Есть ли реальные подтверждения существования черных дыр? Разберемся в этом.

История черных дыр

Самый наглядный пример в истории новейшей физики - многолетнее отсутствие интереса к черным дырам, экстремальным состояниям гравитационного поля, предсказанным почти 90 лет назад. Долгое время их считали чисто теоретической абстракцией, и лишь в 1960-70-е годы уверовали в их реальность. Однако основное уравнение теории черных дыр было выведено свыше двухсот лет назад.
В 1783 году Джон Мичелл, физик, астроном и геолог, профессор Кембриджского университета и пастор англиканской церкви, попытался объединить два великих творения Ньютона - механику и оптику. Ньютон считал свет потоком мельчайших частиц. Мичелл предположил, что световые корпускулы, как и обычная материя, подчиняются законам механики. Следствие из этой гипотезы оказалось весьма нетривиальным - небесные тела могут превратиться в ловушки для света.
Как рассуждал Мичелл? Пушечное ядро, выстреленное с поверхности планеты, полностью преодолеет ее притяжение, лишь если его начальная скорость превысит значение, называемое теперь второй космической скоростью и скоростью убегания. Если гравитация планеты столь сильна, что скорость убегания превышает скорость света, выпущенные в зенит световые корпускулы не смогут уйти в бесконечность. Это же произойдет и с отраженным светом. Следовательно, для очень удаленного наблюдателя планета окажется невидимой. Мичелл вычислил критическое значение радиуса такой планеты Rкр в зависимости от ее массы М, приведенной к массе нашего Солнца Ms: Rкр = 3 км x M/Ms.
...
В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн опубликовал теорию гравитации, которую он назвал общей теорией относительности (ОТО). Эта работа сразу же нашла благодарного читателя в лице его коллеги по Берлинской Академии наук Карла Шварцшильда. Именно Шварцшильд первым в мире применил ОТО для решения конкретной астрофизической задачи, расчета метрики пространства-времени вне и внутри невращающегося сферического тела (для конкретности будем называть егоИз вычислений Шварцшильда следует, что тяготение звезды не слишком искажает ньютоновскую структуру пространства и времени лишь в том случае, если ее радиус намного больше той самой величины, которую вычислил Джон Мичелл! Этот параметр сначала называли радиусом Шварцшильда, а сейчас именуют гравитационным радиусом. звездой).
...
В 1930-е годы молодой индийский астрофизик Чандрасекар доказал, что истратившая ядерное топливо звезда сбрасывает оболочку и превращается в медленно остывающий белый карлик лишь в том случае, если ее масса меньше 1,4 масс Солнца. Вскоре американец Фриц Цвикки догадался, что при взрывах сверхновых возникают чрезвычайно плотные тела из нейтронной материи; позднее к этому же выводу пришел и Лев Ландау. После работ Чандрасекара было очевидно, что подобную эволюцию могут претерпеть только звезды с массой больше 1,4 масс Солнца. Поэтому возник естественный вопрос - существует ли верхний предел массы для сверхновых, которые оставляют после себя нейтронные звезды?
В конце 30-х годов будущий отец американской атомной бомбы Роберт Оппенгеймер установил, что такой предел действительно имеется и не превышает нескольких солнечных масс. Дать более точную оценку тогда не было возможности; теперь известно, что массы нейтронных звезд обязаны находиться в интервале 1,5-3 Ms. Но даже из приблизительных вычислений Оппенгеймера и его аспиранта Джорджа Волкова следовало, что самые массивные потомки сверхновых не становятся нейтронными звездами, а переходят в какое-то другое состояние. В 1939 году Оппенгеймер и Хартланд Снайдер на идеализированной модели доказали, что массивная коллапсирующая звезда стягивается к своему гравитационному радиусу. Из их формул фактически следует, что звезда на этом не останавливается, однако соавторы воздержались от столь радикального вывода.
Окончательный ответ был найден во второй половине XX века усилиями целой плеяды блестящих физиков-теоретиков, в том числе и советских. Оказалось, что подобный коллапс всегда сжимает звезду "до упора", полностью разрушая ее вещество. В результате возникает сингулярность, "суперконцентрат" гравитационного поля, замкнутый в бесконечно малом объеме.
...
В конце 1967 года американский физик Джон Арчибальд Уилер первым назвал такой финал звездного коллапса черной дырой. Новый термин полюбился физикам и привел в восторг журналистов, которые разнесли его по всему миру (хотя французам он сначала не понравился, поскольку выражение trou noir наводило на сомнительные ассоциации).
Черная дыра - это не вещество и не излучение. С некоторой долей образности можно сказать, что это самоподдерживающееся гравитационное поле, сконцентрированное в сильно искривленной области пространства-времени.
...
Все предыдущие модели были построены исключительно на основе ОТО. Однако наш мир управляется законами квантовой механики, которые не обходят вниманием и черные дыры. Эти законы не позволяют считать центральную сингулярность математической точкой. В квантовом контексте ее поперечник задается длиной Планка-Уилера, приблизительно равной 10-33 сантиметра. В этой области обычное пространство перестает существовать. Принято считать, что центр дыры нафарширован разнообразными топологическими структурами, которые появляются и погибают в соответствии с квантовыми вероятностными закономерностями. Свойства подобного пузырящегося квазипространства, которое Уилер назвал квантовой пеной, еще мало изучены.
...
Пустое пространство - физический вакуум - на самом деле отнюдь не пусто. Из-за квантовых флуктуаций различных полей в вакууме непрерывно рождается и погибает множество виртуальных частиц. Поскольку тяготение около горизонта весьма велико, его флуктуации создают чрезвычайно сильные гравитационные всплески. При разгоне в таких полях новорожденные "виртуалы" приобретают дополнительную энергию и подчас становятся нормальными долгоживущими частицами.
...
Виртуальные частицы всегда рождаются парами, которые движутся в противоположных направлениях (этого требует закон сохранения импульса). Если гравитационная флуктуация извлечет из вакуума пару частиц, может случиться так, что одна из них материализуется снаружи горизонта, а вторая (античастица первой) - внутри. "Внутренняя" частица провалится в дыру, а вот "внешняя" при благоприятных условиях может уйти. В результате дыра превращается в источник излучения и поэтому теряет энергию и, следовательно, массу. Поэтому черные дыры в принципе не стабильны.
Этот феномен называется эффектом Хокинга, в честь замечательного английского физика-теоретика, который его открыл в середине 1970-х годов. Стивен Хокинг, в частности, доказал, что горизонт черной дыры излучает фотоны точно так же, как и абсолютно черное тело, нагретое до температуры T = 0,5 x 10-7 x Ms/M. Отсюда следует, что по мере похудания дыры ее температура возрастает, а "испарение", естественно, усиливается. Этот процесс чрезвычайно медленный, и время жизни дыры массы M составляет около 1065 x (M/Ms)3 лет. Когда ее размер становится равным длине Планка-Уилера, дыра теряет стабильность и взрывается, выделяя ту же энергию, что и одновременный взрыв миллиона десятимегатонных водородных бомб. Любопытно, что масса дыры в момент ее исчезновения все еще довольно велика, 22 микрограмма. Согласно некоторым моделям, дыра не исчезает бесследно, а оставляет после себя стабильный реликт такой же массы, так называемый максимон.
...
Черные дыры не запрещены законами физики, но существуют ли они в природе? Совершенно строгие доказательства наличия в космосе хоть одного подобного объекта пока не найдены. Однако весьма вероятно, что в некоторых двойных системах источниками рентгеновского излучения являются черные дыры звездного происхождения. Это излучение должно возникать вследствие отсасывания атмосферы обычной звезды гравитационным полем дыры-соседки. Газ во время движения к горизонту событий сильно нагревается и испускает рентгеновские кванты. Не меньше двух десятков рентгеновских источников сейчас считаются подходящими кандидатами на роль черных дыр. Более того, данные звездной статистики позволяют предположить, что только в нашей Галактике существует около десяти миллионов дыр звездного происхождения.



Черные дыры и структура пространства-времени
У черных дыр очень интересные свойства. После коллапса звезды в черную дыру ее свойства будут зависеть только от двух параметров: массы и углового момента вращения. То есть, черные дыры представляют собой универсальные объекты, то есть, их свойства не зависят от свойств вещества, из которого они образованы. При любом химическом составе вещества исходной звезды свойства черной дыры будут одними и теми же. То есть, черные дыры подчиняются только законам теории гравитации - и никаким иным.
Другое любопытное свойство черных дыр заключается в следующем: предположим, вы наблюдаете процесс, в котором участвует черная дыра. Например, можно рассмотреть процесс столкновения двух черных дыр. В результате из двух черных дыр образуется одна более массивная. Этот процесс может сопровождаться излучением гравитационных волн, и уже построены детекторы с целью их обнаружения и измерения. Процесс этот теоретически просчитать весьма непросто, для этого нужно решить сложную систему дифференциальных уравнений. Однако имеются и простые теоретические результаты. Площадь сферы Шварцшильда получившейся черной дыры всегда больше суммы площадей поверхностей двух исходных черных дыр. То есть, при слиянии черных дыр площадь их поверхности растет быстрее массы. Это так называемая "теорема площадей", она была доказана Стивеном Хокингом (Steven Hawking) в 1970 году.
...
В классической физике тепловые свойства вещества обусловлены движением составляющих его материальных частиц. Например, температура воздуха связана со среднеквадратичной скоростью теплового движения его молекул. Родственное температуре понятие называется энтропия. Энтропия дает количественное выражение степени хаотичности движения составляющих системы. Законы термодинамики позволяют связать энтропию с температурой, массой и объемом, благодаря чему её можно рассчитать, не зная микроскопических деталей строения системы. Хокинг и Бекенштейн (Bekenstein) показали, что энтропия черной дыры пропорциональна площади её горизонта, деленной на квадрат т. н. гравитационной длины Планка lPlanck = 10-33 см. Для черной дыры макроскопических размеров значение энтропии получается просто чудовищным.
...
Квантовая механика и гравитационная теория в рамках общей теории относительности вообще уживаются между собой крайне плохо. С практической точки зрения нам в повседневной жизни квантовая теория гравитационного взаимодействия, по большому счёту, не нужна, поскольку все явления, с которыми мы прямо или косвенно сталкиваемся, описываются либо гравитационными эффектами, на фоне которых квантово-механические эффекты никак не проявляются, либо наоборот. С другой стороны, если нас интересует происхождение Вселенной и процессы, происходившие в первые мгновения после Большого Взрыва, универсальная и непротиворечивая теория нам всё-таки нужна. В самом начале квантово-механические и гравитационные взаимодействия были в равной мере значимы. Именно это и послужило одной из главных мотивировок к разработке квантовой теории гравитации.
Такой теорией стала теория струн. В её рамках удалось, наконец, объединить квантово-механические и гравитационные взаимодействия. Мы не знаем, верна ли эта теория, но лучшей кандидатуры на роль универсальной теории на сегодня не существует.



Теперь о конкретных находках астрономов, в чем-то как-то подтверждающих:


Черные дыры
21.11.2002 Немецкие астрономы из Института внеземной физики имени Макса Планка сообщили об уникальном открытии. С помощью орбитальной рентгеновской обсерватории "Чандра" им удалось установить, что в центре галактики NGC 6240 не одна, а сразу две огромных черных дыры. NGC 6240 находится на расстоянии 400 млн. световых лет от Земли и отличается аномально высокой яркостью.

Проблему удалось решить посредством телескопа "Чандра". На полученных с его помощью снимках NGC 6240 отчетливо видны два мощных источника рентгеновского излучения (на фотографии - синие точки). Как правило, рентгеновское излучение сопутствует процессу захвата материи коллапсарами.
В настоящее время доказано, что центром каждой галактики является крупная черная дыра с массой, в несколько миллионов раз превосходящей массу Солнца. Однако случай с двойным коллапсаром является уникальным для известной части вселенной.

14.10.2003 Анализируя сигналы, поступающие с борта принадлежащей NASA орбитальной обсерватории Chandra, англичане обнаружили поток звуковых волн, которые идут из находящегося в 250 миллионах световых лет от Земли скопления галактик, расположенного в созвездии Персея. В роли космического "голоса" выступили потоки раскаленного газа, выходящие из… супермассивной черной дыры в галактике Perseus A.

21.11.2002 Космический телескоп "Хаббл" помог астрономам обнаружить уникальную черную дыру, которая с большой скоростью перемещается по нашей Галактике. Как правило, положение черных дыр в пространстве фиксировано. К примеру, самые крупные из них находятся в центрах галактик. Однако коллапсар GRO J1655-40 движется по Млечному пути со скоростью около 400 тысяч км/ч, что примерно в четыре раза больше скорости звезд, перемещающихся в пространстве по соседству с нашей галактикой.
Как известно, черные дыры являются мощнейшими источниками гравитации, втягивающими в себя любую материю, включая электромагнитные волны. По этой причине увидеть коллапсар, в буквальном смысле, невозможно. Астрономы распознают их по характерным завихрениями материи, "всасываемой" в дыру. В случае с GRO J1655-40 ориентиром для наблюдения служила звезда-спутник, вращающаяся вокруг черной дыры с периодом в 2,6 земных дней. Именно ее положение в пространстве определялось с помощью орбитального телескопа "Хаббл".
08.12.2003 Наблюдения в рентгеновском диапазоне орбит звезд, которые вращаются вокруг мощного радиоисточника Стрелец А в центре Млечного пути, подтвердили, что именно там находится объект, превышающий по массе наше Солнце приблизительно в три миллиона шестьсот тысяч раз. Видимо, именно это и есть центр нашей галактики.
В ближайших планах ученых - тщательно проверить свои выводы и сопоставить расчеты с другими наблюдениями черной дыры Стрелец А и ее окрестностей в рентгеновском и микроволновом диапазоне. По мнению специалистов, такие наблюдения служат прекрасной проверкой для фундаментальных законов физики - именно в подобных экстремальных условиях полностью проявляется их предсказательная сила.


Черная дыра раздула вокруг себя пузырь диаметром 10 световых лет
2005г. Астрономы из Голландии и Великобритании совместными усилиями обнаружили в пределах Млечного Пути - в созвездии Лебедя - черную дыру, раздувшую вокруг себя гигантский пузырь, диаметр которого достигает 10 световых лет.
То, что черные дыры, поглощающие значительные массы окружающей их пыли, имеют склонность выбрасывать в космос грандиозные потоки заряженных частиц, именуемые джетами, известно давно. Однако черная дыра в рентгеновской двойной звездной системе, сумевшая "надуть" вокруг себя огромный пузырь, диаметр которого уже составляет около 10 световых лет и расширяется со скоростью 100 километров в секунду, встречается ученым впервые.

"Мы уже знаем, что супермассивные черные дыры в центре других галактик производят огромное количество энергии, - говорит Елена Галло (Elena Gallo) из Амстердамского университета, автор исследования, которое будет опубликовано в ближайшем номере журнала Nature. - Но это открытие показало, что такое может встретиться и в окрестностях нашей Галактики".

По словам соавтора исследования Роба Фендера (Rob Fender) из Университета Саутгемптона, важность этого открытия состоит в том, что европейским ученым удалось продемонстрировать склонность черных дыр типа Cygnus X-1 (а их в нашей Галактике могут быть миллионы) не просто тихо сидеть на месте взорвавшихся миллионы лет назад красных гигантов, пожирая окружающую их материю и энергию, но и отдавать значительную часть полученного назад в космос.

2005г. Впечатляющего успеха сумели добиться американские ученые. Они создали "черную дыру" в лабораторных условиях. "Черная дыра" просуществовала крайне мало времени: миллиардную часть наносекунды. При этом ее температура в 300 млн. раз превысила температуру Солнца.

Эксперименты с "черной дырой" считались всегда опасными, так как известно, что дыра поглощает всю материю вокруг себя, сообщает Sky News. "Черная дыра" - это область в пространстве, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. "Черная дыра" окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в "черную дыру", но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют "горизонтом событий".

Ученые использовали для создания "черной дыры" ускоритель частиц в Брокхавенской лаборатории Нью-Йорка. Ученые столкнули друг с другом два ядра молекул золота, двигавшихся с субсветовой скоростью. Сила столкновения привела к том, что ядра распались на кварки и глюоны - мельчайшие частицы, из которых состоит материя. Частицы затем сформировали шар кварк-глюонной плазмы, которая стала поглощать частицы, образовавшиеся в результате столкновения ядер, тем самым образуя "черную дыру".


Опубликованных работ по черным дырам в специализированных изданиях по астрономии и физике очень много. Как видим, это стало для соответствующих профессионалов обыденной реальностью. Сомневаться в этом не стоит, так же как сомневаться в существовании Америки только на том основании, что нас там не было :)

ВПЕРВЫЕ УДАЛОСЬ ПОЙМАТЬ "ЧЕРНУЮ ДЫРУ" ЗА РУКУ В ТОТ МОМЕНТ, КОГДА ОНА ПОЖИРАЛА ЗВЕЗДУ
2005г. Открытие принадлежит американскому космическому телескопу "Чандра" и европейскому телескопу "Ньютон", которые наблюдали уникальный процесс пожирания, словно в медицинском кабинете, в рентгеновском диапазоне. Как подчеркивается в коммюнике Европейского космического агентства, открытие подтверждает основные теоретические принципы эволюции "черных дыр", а также данные об их влиянии на звезды и межзвездное газовое вещество.
...
Зафиксированная катастрофа произошла на расстоянии 25 тысяч световых лет от Земли. В ядре нашей Галактики тоже есть своя "черная дыра" массой 4 миллиона масс нашего Солнца. И вот если у нее проснутся аппетиты, то рентгеновское излучение окажется в 50 тысяч раз более сильным, чем от катастрофы в галактике RX J1242-11. Перед исчезновением в "черной дыре" приговоренная звезда разогревается до температур в сотни миллионов градусов. При этом высвобождается энергия, эквивалентная взрыву при рождении другого космического объекта - сверхновой звезды.
...
Обнаружить "черную дыру" можно по специфическому рентгеновскому излучению, которое образуется, когда она засасывает в себя вещество. В 1970-х годах американский спутник "Ухуру" (на одном из африканских диалектов - "Свобода") зафиксировал специфическое рентгеновское излучение. С тех пор "черная дыра" существует не только в расчетах. Именно за эти исследования Нобелевскую премию 2002 года получил Риккардо Джаккони.

Что касается разговоров о том, что "черная дыра" является лишь игрой досужего ума, то этот слух рожден статьей в советском журнале "Природа", которую написал 35 лет назад американец Кип Торн, часто приезжавший к легендарному Зельдовичу, чтобы набраться умных мыслей. Эпиграфом к статье Торн поставил такие слова: "Из всех порождений человеческого разума "черная дыра" - самая большая химера". В статье эта мысль категорически отвергалась. Но статья забылась, а эпиграф остался.


Еще:
  • Черная дыра достала другую галлактику
  • Cкорость движения материи в черных дырах бизка к световой
  • Черная дыра порвала звезду в клочья
  • Исследование черных дыр специализированным спутником Suzaku
  • Непосредственное наблюдение как черная дыра поглощает звезду
    Последнее редактирование: 2015-04-08

    Оценить статью можно после того, как в обсуждении будет хотя бы одно сообщение.
    Об авторе: Статьи на сайте Форнит активно защищаются от безусловной веры в их истинность, и авторитетность автора не должна оказывать влияния на понимание сути. Если читатель затрудняется сам с определением корректности приводимых доводов, то у него есть возможность задать вопросы в обсуждении или в теме на форуме. Про авторство статей >>.

    Тест: А не зомбируют ли меня?     Тест: Определение веса ненаучности

    Последняя из новостей: Обзор эволюционного появления субъективных моделей действительности: Субъективные модели действительности.
    Все новости

    Нейроны и вера: как работает мозг во время молитвы
    19 убежденных мормонов ложились в сканер для функциональной МРТ и начинали молиться или читать священные тексты. В это время ученые наблюдали за активностью их мозга в попытке понять, на что похожи религиозные переживания с точки зрения нейрологии. Оказалось, они похожи на чувство, которое испытывает человек, которого похвалили.
    Все статьи журнала
     посетителейзаходов
    сегодня:33
    вчера:810
    Всего:77468980

    Авторские права сайта Fornit
    Яндекс.Метрика