Реферат: Черные дыры вселенной

Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося после взрыва, всё ещё превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в кро­шечное плотное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют всякое Рис. 4 Рождение внутреннее сопротивление сжатию. Учёные черной дыры полагают, что именно в этот момент катастрофический грави­тационный коллапс приводит к возникновению чёрной дыры. Они считают, что с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Тогда для мас­сивной звезды остаётся один неизбежный путь - путь всеоб­щего и полного сжатия (коллапса), превращающего её в неви­димую чёрную дыру.

В 1939г. Р. Оппенгеймер и его аспирант Снайдер в Кали­форнийском университете (Беркли) занимались выяснением окончательной судьбы большой массы холодного вещества. Од­ним из наиболее впечатляющих следствий общей теории относи­тельности Эйнштейна оказалось следующее: когда большая масса начинает коллапсировать, этот процесс не может быть остановлен и масса сжимается в чёрную дыру. Если, например, не вращающаяся симметричная звезда начинает сжиматься до критического размера, известного как гравитационный радиус, или радиус Шварцшильда (назван так в честь Карла Шварц­шильда, которой первым указал на его существование). Если звезда достигает этого радиуса, то уже не что не может вос­препятствовать ей завершить коллапс, то есть буквально замкнуться в себе. Чему же равен гравитационный радиус ? Строгое математическое уравнение показывает, что для тела с массой Солнца гравитационный радиус равен почти 3 км, тогда как для системы, включающей миллиард звёзд, - галактики - этот радиус оказывается равным расстоянию от Солнца до ор­биты планеты Уран, то есть составляет около 3 млрд. км.

Каковы же физические свойства «чёрных дыр» и как учёные предполагают обнаружить эти объекты ? Многие учёные разду­мывали над этими вопросами; получены кое-какие ответы, ко­торые способны помочь в поисках таких объектов.

Само название - чёрные дыры - говорит о том, что это класс объектов, которые нельзя увидеть. Их гравитационное поле настолько сильно, что если бы каким-то путём удалось оказаться вблизи чёрной дыры и направить в сторону от её поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от Земли до Солнца. Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля чёрной дыры и покинуть её поверхность. Именно поэтому такая по­верхность называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу чёрной дыры.

Учёные отмечают, что эти необычные объекты нелегко по­нять, оставаясь в рамках законов тяготения Ньютона. Вблизи поверхности чёрной дыры гравитация столь сильна, что при­вычные ньютоновские законы перестают здесь действовать. Их следует заменить законами общей теории относительности Эйн­штейна. Согласно одному из трёх следствий теории Эйнштейна, покидая массивное тело, свет должен испытывать красное сме­щение, так как он должен испытывать красное смещение, так как он теряет энергию на преодоление гравитационного поля звезды. Излучение, приходящее от плотной звезды, подобной белому карлику - спутнику Сириуса А, - лишь слегка смеща­ется в красную область спектра. Чем плотнее звезда, тем больше это смещение, так что от сверхплотной звезды совсем не будет приходить излучения в видимой области спектра. Но если гравитационное действие звезды увеличивается в резуль­тате её сжатия, то силы тяготения оказываются настолько ве­лики, что свет вообще не может покинуть звезду. Таким обра­зом, для любого наблюдателя возможность увидеть чёрную дыру полностью исключена ! Но тогда естественно возникает во­прос: если она невидима, то как же мы можем её обнаружить ? Чтобы ответить на этот вопрос, учёные прибегают к искусным уловкам. Руффини и Уиллер досконально изучили эту проблему и предложили несколько способов пусть не увидеть, но хотя бы обнаружить чёрную дыру. Начнём с того, что, когда чёрная дыра рождается в процессе гравитационного коллапса, она должна излучать гравитационные волны, которые могли бы пе­ресекать пространство со скоростью света и на короткое время искажать геометрию пространства вблизи Земли. Это иска­жение проявилось бы в виде гравитационных волн, действующих одновременно на одинаковые инструменты, установленные на земной поверхности на значительных расстояниях друг от друга. Гравитационное излучение могло бы приходить от звёзд, испытывающих гравитационный коллапс. Если в течение обычной жизни звезда вращалась, то, сжимаясь и становясь всё меньше и меньше, она будет вращаться всё быстрее сохра­няя свой момент количества движения. Наконец она может дос­тигнуть такой стадии, когда скорость движения на её эква­торе приблизится к скорости света, то есть к предельно воз­можной скорости. В этом случае звезда оказалась бы сильно деформированной и могла бы выбросить часть вещества. При такой деформации энергия могла бы уходить от звезды в виде гравитационных волн с частотой порядка тысячи колебаний в секунду (1000 Гц).

Дж. Вебер установил ловушки гравитационных волн в Ар­гоннской национальной лаборатории вблизи Чикаго и в Мэри­лендском университете. Они состояли из массивных алюминие­вых цилиндров, которые должны были колебаться, когда грави­тационные волны достигнут Земли. Используемые Вебером де­текторы гравитационного излучения реагируют на высокие (1660 Гц), так и на очень низкие (1 колебание в час) час­тоты. Для детектирования последней частоты используется чувствительный гравиметр, а детектором является сама Земля. Собственная частота квадрупольных колебаний Земли равна од­ному колебанию за 54 мин.

Все эти устройства должны были срабатывать одновременно в момент, когда гравитационные волны достигнут Земли. Дей­ствительно они срабатывали одновременно. Но к сожалению, ловушки включались слишком часто - примерно раз в месяц, что выглядело весьма странно. Некоторые учёные считают, что хотя опыты Вебера и полученные им результаты интересны, но они недостаточно надёжны. По этой причине многие относятся весьма скептически к идее детектирования гравитационных волн (эксперименты по детектированию гравитационных волн, аналогичные опытам Вебера, позднее были проверены в ряде других лабораторий и не подтвердили результатов Вебера. В настоящее время считается, что опыты Вебера ошибочны).

Роджер Пенроуз, профессор математики Биркбекского кол­леджа Лондонского университета, рассмотрел любопытный слу­чай коллапса и образования чёрной дыры. Он также допускает, что чёрная дыра исчезает, а затем проявляется в другое время в какой-то иной вселенной. Кроме того, он утверждает, что рождение чёрной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией простран­ства-времени происходит нечто необычное. Исследования Пен­роуза показывают, что коллапс заканчивается образованием сингулярности, то есть он должен продолжаться до нулевых размеров и бесконечной плотности объекта. Последние условие даёт возможность другой вселенной приблизиться к нашей син­гулярности, и не исключено, что сингулярность перейдёт в эту новую вселенную. Она даже может появиться в каком-либо другом месте нашей собственной Вселенной.

Заключение

Некоторые учёные рассматривают образование чёрной дыры как маленькую модель того, что, согласно предска­заниям общей теории относительности, в конечном счёте может случиться со Вселенной. Общепризнано, что мы жи­вём в неизменно расширяющейся Вселенной, и один из наи­более важных и насущных вопросов науки касается природы Вселенной, её прошлого Рис.5 Черная дыра и будущего. Без сомнения, все современные результаты наблюдений указывают на расшире­ние Вселенной. однако на сегодня один из самых каверз­ных вопросов таков: замедляется ли скорость этого рас­ширения, и если да, то не сожмётся ли Вселенная через десятки миллиардов лет, образуя сингулярность. По-види­мому, когда-нибудь мы сможем выяснить, по какому пути следует Вселенная, но, быть может, много раньше, изучая информацию, которая просачивается при рождении чёрных дыр, и те физические законы, которые управляют их судь­бой, мы сможем предсказать окончательную судьбу Вселен­ной.

Список использованной литературы:

1. Космос: Сборник. Научно - популярная литература/ Ю. И. Коптев и С. А. Никитин; - Л.: Дет. лит.,1987. - 223 с.

2. И. А. Климишин . Астрономия наших дней.-М.:«Наука».,1976. - 453 с.

3. А. Н. Томилин. Небо Земли. Очерки по истории астрономии/ К. Ф. Огородников. Л., «Дет. лит.», 1974. - 334 с., ил.

4. Энциклопедический словарь юного астронома/ Сост. Н. П. Ерпылев. - 2-е изд., - М.: Педагогика, 1986. - 336с.