Что такое черная дыра?

Предмет: Физика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 06.10.2019

 

 

 

 

 

  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Почему мыло делает тарелки чистыми?
Чему равна сила тяжести в центре Земли?
Почему звезды светят?
Как измерить влажность воздуха?


Введение:

На Западе называются «червоточины», у нас пространственно-временные проколы. 

Одним из самых парадоксальных объектов в космосе являются так называемые «черные дыры», или коллапсары тел бесконечно высокой плотности. Суть этого парадокса заключается в том, что интенсивность гравитационного взаимодействия тел определяется их массой, тогда как другие известные типы их взаимодействия не зависят от массы. Это означает, что если количество частиц вещества в определенной области пространства превышает определенное критическое значение, то гравитационные силы будут преобладать над всеми остальными, и из-за того, что гравитационные силы всегда являются гравитационными силами, это тело будет контракт.

Что такое черные дыры

После того, как нейтроны были обнаружены, это помогло выяснить окончательную судьбу тяжелых звезд: огромная гравитация «вдавливает» свободные электроны в протоны, и появляются электрически нейтральные частицы, нейтроны. Рождается нейтронная звезда, вещество которой обладает невероятной плотностью. Кусок такого материала размером с кубик пиломатериала весит один миллиард тонн, а нейтронная песчинка уравновесит мощный электровоз. Поскольку пространство-время в общей теории относительности предполагается непрерывным, разумное ограничение не может быть ограничено этим сокращением.

В результате, согласно этой теории, получается, что такое тело должно сжиматься до некоторой точки, в то время как интенсивность гравитационных полей вблизи него увеличивается до бесконечности, а пространство изгибается настолько сильно, что оно полностью закрывается, скорость, необходимая для того, чтобы покинуть пределы этого кластера могут превышать скорость света, что означает, что ни одна частица материи и ни один квант излучения не могут это сделать, то есть образуется объект, который может поглощать любое количество любого не имеет значения и не выпустить ничего обратно. Итак, любое тело, упавшее на поверхность такого объекта, будет действительно безвозвратно поглощено им из-за того, что барионы-вакансии, из которых состоит это тело, будут сливаться с пузырем под действием мощных гравитационных сил в результате который тело потеряет всю индивидуальность и изоляцию. 

Все черные дыры притягивают газ из окружающего пространства, и первоначально он накапливается в диске рядом с ним. В результате столкновения частиц газ нагревается, теряет энергию, скорость и начинает приближаться к черной дыре. Нагретый до нескольких миллионов градусов газ образует вихрь в форме воронки.

Его частицы несутся со скоростью 100 тысяч километров в секунду. В конечном итоге вихрь газа достигает «горизонта событий» и навсегда исчезает в черной дыре. Поскольку минимальная скорость, необходимая для того, чтобы убежать от этой «дыры», будет меньше скорости света, то любой объект, который не упал прямо на его поверхность, будет иметь возможность выйти за его пределы. Когда вещество падает на поверхность черной дыры, рентгеновские лучи должны появляться из-за высокой интенсивности гравитационных полей вокруг нее. 

В 1997 году удалось доказать, что некоторые черные дыры вращаются, вовлекая в это движение и пространство вокруг них. «До сих пор мы могли распознавать только массу черной звезды, теперь мы можем определить ее вращательный импульс», с гордостью говорит Шуан Нань Цанг, сотрудник Центра НАСА в Хантсвилле. 

Черная дыра окружена определенной границей, и вся материя внутри нее, безусловно, будет поглощена дырой. Размер границы зависит, в частности, от скорости вращения черной дыры. Эта скорость может быть рассчитана, если вы знаете, как быстро движется материя на границе. Расшифровывая информацию со спутников, которые регистрируют рентгеновские лучи, Шуан Нан Цанг и его коллеги пришли к выводу, что в Млечном Пути есть 12 черных дыр с массой от трех до тридцати солнечных масс. Некоторые из этих отверстий вращаются очень медленно, другие совершенно неподвижны.

Но двое вращаются вокруг своих осей с невероятной скоростью. «Исследуя вращение черной дыры, пишет астрофизик из Балтимора Марио Ливио, вы можете узнать, сколько материи ей удалось поглотить за свою жизнь и как вращательный момент связан с выбросом вещества в виде осевой струи». " Цанг убежден, что эти две быстро вращающиеся дыры, найденные в нашей Галактике, посылают струи частиц высокой энергии в их окрестности. Струи вращаются примерно с той же скоростью, что и сама черная дыра. Точные измерения позволяют нам определить скорость вращения вихря вещества, прежде чем он исчезнет в черной дыре. 

Кроме того, ученые обнаружили колебания интенсивности рентгеновских лучей в обоих объектах. Эти наблюдения привели в конце 1997 года к еще более удивительному явлению: частицы газа и пыли возле двух рассматриваемых черных дыр подвержены периодическому движению, называемому прецессией. Это означает, что ось вихревого движения частиц не стоит на месте, а в свою очередь вращается вокруг другой оси. 

В научном мире интерес к черным дырам либо угасает (когда уже кажется, что все их секреты раскрыты), но затем вновь вспыхивает (когда снова оказывается, что это далеко не так). Однако в последние годы черные дыры явно не пострадали от недостатка внимания. Мосты Эйнштейна-Розена (они также являются «червоточинами»), «машины времени», возможное образование мини-дырок в воздушных ливнях частиц, генерируемых космическими лучами высоких энергий (если предположения верны, что число пространственных макросов измерения нашего мира более трех), вот лишь краткий список «горячих» научных тем последних времен, в которых черные дыры играют главную роль. 

Насколько нам известно, первым ученым, который изобрел объект, напоминающий черную дыру, был английский священник и богослов, один из основателей научной сейсмологии Джон Митчелл. В 1783 году он представил свои взгляды в докладе Лондонскому королевскому обществу. 

Но, как это часто случалось в истории науки, сообщение оставалось практически незамеченным, поэтому долгое время приоритет отдавался известному французскому ученому Лапласу, который через одиннадцать лет после Митчелла пришел к аналогичным выводам и опубликовал их в своей книге Презентация системы мира. Доклад Митчелла был найден в «Философских трудах Лондонского королевского общества» только в 1984 году. 

Идея Митчелла и Лапласа была очень проста: они предполагали, что в природе могут существовать тела, для которых вторая космическая скорость превышает скорость света. Следовательно, такие тела будут невидимы для наблюдателя, хотя они могут проявлять себя как гравитационное воздействие на другие объекты. Согласно Лапласу, «звезда с плотностью, равной плотности Земли и 250-кратному диаметру Солнца, не позволяет лучу света достичь нас из-за его силы тяжести, и поэтому возможно, что самые яркие тела во Вселенной невидимы по этой причине." И Митчелл предложил искать такие звезды, анализируя движение второй звезды в двойной системе, метод, который сейчас широко используется для обнаружения черных дыр. 

Математически соображения двух ученых сводятся к нахождению радиуса R звезды массой M, для которой вторая космическая скорость равна скорости света c. Простыми преобразованиями получаем: 

Rg = 2GM/c2,

где Rg так называемый гравитационный радиус тела, G постоянная силы тяжести.

Увы, все эти рассуждения были неверными. На скоростях, близких к скорости света, формула для кинетической энергии сильно отличается от классического случая. Формула потенциальной энергии в мощных гравитационных полях также меняет свою форму. И отношение к свету как к потоку маленьких пушечных ядер неуместно: в частности, скорость света, как вы знаете, постоянна и, следовательно, не может стремиться к нулю (хотя и на бесконечности). 

Решение для черной дыры, свободное от этих недостатков, было получено в 1916 году немецким астрономом Карлом Шварцшильдом на основе анализа уравнений общей теории относительности, недавно полученных Альбертом Эйнштейном. Совершенно неожиданно, но в этом точном решении появляется значение размерности расстояния, выражение для которой совпадает с уже написанной «неверной» формулой. 

Казалось бы, это не очень распространенный, но все же иногда встречающийся в науке случай, когда ошибки «упрощенного» решения компенсируют друг друга. На самом деле, конечно, это не так. В решении Шварцшильда на радиусе Rg есть нечто большее, чем просто выравнивание скорости света и второй космической скорости. И даже не «больше», а принципиально иное. 

Есть такой вопрос для сообразительности: можно ли попасть на Луну на ракете, летящей со скоростью запорожца? Несмотря на то, что вопрос не сложный, очень часто ответом является «нет». Нам нужна, говорят они, вторая космическая скорость (или чуть меньше при полете по эллипсу). 

На самом деле ответ, конечно, неверный, вы можете лететь на Луну. Формулы для космических скоростей действительны для тела, летящего свободно (после начального толчка). Если ракетный двигатель работает непрерывно, то к нашему спутнику можно добраться даже со скоростью черепахи (рано или поздно). Другое дело, что такой полет потребует гигантского расхода топлива. Другой пример подъем по лестнице, чтобы вы могли подняться на высоту, которую вы никогда не сможете достичь. 

Все меняется, если мы обратимся к рассмотрению черной дыры. Если мы находимся внутри так называемой сферы Шварцшильда (сфера радиуса Rg, описанная вокруг центра черной дыры), то нет никакого способа выбраться «наружу». 

Вот почему границу сферы Шварцшильда часто называют горизонтом событий. А также односторонняя проводящая мембрана. 

Как образуются черные дыры

Черные дыры не могут быть видны напрямую, но астрономы могут видеть доказательства их существования, когда газы выбрасываются на спутную звезду. При взрыве динамита крошечные осколки взрывчатого вещества будут глубоко погружаться в близлежащие объекты, оставляя неизгладимые следы взрыва. Астрономы нашли похожий отпечаток на звезде, которая вращается вокруг черной дыры, разумно полагая, что эта черная дыра, бывшая звезда, которая так сильно упала, что даже свет не может преодолеть свою гравитационную силу, возникла в результате взрыва сверхновой.

Что такое черная дыра?

К этому времени астрономы наблюдали взрывы сверхновых и обнаружили на их месте пятнистые объекты, которые, по их мнению, являются черными дырами. Новое открытие является первым реальным доказательством связи между одним событием и другим. (Черные дыры не могут быть видны напрямую, но об их наличии иногда можно судить по влиянию их гравитационного поля на близлежащие объекты. Система звезды и черной дыры, обозначенная GRO J1655-40, находится на расстоянии приблизительно 10 000 световых лет от нас Галактика Млечный Путь Обнаруженная в 1994 году, она привлекла внимание астрономов сильными рентгеновскими вспышками и бомбардировкой радиоволн, когда черная дыра толкала газы на звезду-спутник на расстоянии 7,4 миллиона миль.

Черные дыры звездного размера, как полагают, являются телами больших звезд, которые просто сжались до такого размера после того, как израсходовали все свое водородное топливо. Но по причинам, пока неясным, умирающая звезда превращается в сверхновую до взрыва м. Наблюдения за системой GRO J1655-40 в августе и сентябре 1994 года сделали можно зафиксировать, что потоки испускаемого газа имели скорость до 92% от скорости света, что частично доказало наличие там черной дыры. Если ученые не ошибаются, то некоторые из взорвавшихся звезд, которые Вероятно, в 25-40 раз больше нашего Солнца превратились в выживающие спутники.

Это именно те данные, которые астрономы нашли. Атмосфера звезды-компаньона содержала более высокие, чем обычно, концентрации кислорода, магния, кремния и серы, тяжелых элементов, которые могут быть созданы в больших количествах только при температурах в несколько миллиардов градусов, что достигается во время взрыва сверхновой. Это было первое свидетельство, которое действительно подтверждает справедливость теории о том, что некоторые черные дыры впервые возникли как сверхновые, поскольку то, что они видели, не могло быть рождено звездой, которую наблюдали астрономы. 

Как были обнаружены черные дыры

Как вы знаете, «черные дыры» не могут быть обнаружены прямым наблюдением их существование определяется мощным влиянием, которое они оказывают на другие объекты, или мощным рентгеновским излучением.

Наблюдения за так называемыми системами двойных звезд, когда через телескоп видна только одна звезда, дают основания полагать, что невидимым партнером является черная дыра. Звезды этой пары настолько близки друг к другу, что невидимая масса «всасывает» вещество видимой звезды и поглощает ее. В некоторых случаях можно определить время вращения звезды вокруг ее невидимого партнера и расстояние до невидимого партнера, что позволяет рассчитать массу, скрытую от наблюдения.

Первый кандидат на подобную модель пара, обнаруженный в начале семидесятых. Он расположен в созвездии Лебедя и излучает рентгеновские лучи. Здесь вращается горячая голубая звезда и, по всей вероятности, черная дыра с массой, равной 16 массе Солнца. Другая пара (V404) имеет невидимую массу 12 солнечных масс. Другая подозреваемая пара это рентгеновский источник (LMCX3) из девяти масс Солнца в Большом Магеллановом Облаке. Все эти случаи хорошо объяснены в дискурсе Джона Мишеля о «темных звездах». В 1783 году он написал: «Если светящиеся тела вращаются вокруг чего-то невидимого, то мы должны сделать вывод о существовании этого центрального тела из движения этого вращающегося тела ». Два итальянских астронома, Луиджи Стелла и Марио Виертри, основываясь на данных, полученных со спутника RXTE, обнаружили искривление пространства вокруг нейтронной звезды, хотя и очень слабое. Спутник под названием "Gravity Probe B" уже находится в стадии разработки, специально приспособленный для изучения эффектов теории относительности. 

Измерения параметров движений в центральной области нашей Галактики проводились с 1992 по 1998 год сотрудниками Института внеземной физики. Макс Планк в Гаршинге (Германия) под руководством А. Экарта. Они определяли скорость движения 200 звезд с помощью специального спектрометра. Оказалось, что те звезды, которые находятся вблизи объекта Стрельца А, которые ранее якобы относились к числу «черных дыр», движутся с наибольшей скоростью.

Для звезд, которые находятся всего в пяти световых днях от него, скорость вращения вокруг центра превышает 1000 км/с. Расчеты показали, что такое движение звезд можно наблюдать только в том случае, если в ядре Галактики есть объект, масса которого составляет 2,6 млн. Солнечных масс, а плотность такова, как если бы 2 «триллиона» Солнца были «сжаты» в один кубический световой год! Такими свойствами может обладать только «черная дыра», которая поглощает всю материю, попадающую в сферу ее влияния в течение нескольких миллионов лет.

Аналогичные результаты были сообщены на конференции Американского астрономического общества А.М. Геза (. Вместе со своими коллегами она проводила наблюдения в том же инфракрасном диапазоне частот (2 микрона), что и Экарт, но на более мощном 10-метровом телескопе. Кек на горе Мауна Кеа (Гавайи). Они обнаружили, что звезды, расположенные в два раза ближе к центру Галактики, чем звезды, наблюдаемые немецкими астрономами, движутся со скоростью 3000 км /с. По словам Гойзе, такую ​​скорость звездам может дать только «черная дыра» с массой 2,7 млн. Солнц. В этом масштабе выходные значения обеих групп можно считать практически идентичными. Итак, в центре нашей Галактики, видимо, тоже есть огромная «черная дыра». 

Однажды группа американских и японских астрономов направила свой телескоп на созвездие Собак, на расположенную там спиральную туманность M106. Эта галактика удалена от нас на 20 миллионов световых лет, но ее можно увидеть даже с любительского телескопа. Многие полагали, что это было так же, как тысячи других галактик. При ближайшем рассмотрении выяснилось, что туманность M106 имеет одну редкую особенность, в центральной ее части находится естественный квантовый генератор мазера. Это газовые облака, в которых молекулы вследствие внешней «накачки» излучают радиоволны в микроволновой области. Мазер помогает точно определить его местоположение и скорость движения облака, а в результате и других небесных тел. Японский астроном Макото Мионис и его коллеги обнаружили странное поведение его космического мазера во время наблюдений туманности М106. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра на расстоянии 0,5 светового года от них.

Астрономы были особенно заинтригованы скоростью этого вращения: периферийные слои облаков двигались со скоростью четыре миллиона километров в час! Это говорит о том, что гигантская масса сосредоточена в центре. По подсчетам, он равен 36 миллионам солнечных масс. Астрономы опровергли предположение, что это количество вещества может быть очень плотным скоплением звезд, которое мы не можем видеть из-за космической пыли. Звезды в скоплении должны быть очень близко друг к другу. При таком «раздавливании» они непременно начнут сталкиваться, и звездное скопление довольно быстро «рассыплется». Ученые объяснили тайну хоровода облаков тем, что наблюдают за черной дырой, точнее, за тем, что происходит в ее окрестностях. В конце концов, сама черная дыра не видна. 

Американским астрономам удалось обнаружить рентгеновские лучи от сверхмассивных черных дыр, которые до недавнего времени считались «тихими». Эти дыры существуют в центрах самых старых и самых массивных галактик и имеют массу, сопоставимую с массой миллиардов Солнц, сжатых до размеров Солнечной системы. В то время как небольшой процент сверхмассивных черных дыр испускает мощное рентгеновское излучение (известное как активное ядро ​​галактики), подавляющее большинство массивных черных дыр не испускает рентгеновское излучение. Недавние наблюдения показали, что «тихие» сверхмассивные черные дыры также испускают рентгеновские лучи, но намного меньше, чем активное ядро ​​галактики. Новые результаты вселяют надежду, что сверхмассивные черные дыры присутствуют во всех галактиках, включая нашу, и могут быть ключом к происхождению Вселенной. 

Заключение

Изображение, полученное с помощью нового спектрографа космического телескопа Хаббла (STIS), фиксирует «автограф» сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре галактики M84.

Несмотря на то, что гравитация не позволяет даже свету покинуть окрестности черной дыры, ее присутствие можно обнаружить по межзвездному веществу, падающему по спирали с огромным ускорением на поверхность черной дыры, скорость которого, определенная с использованием эффекта Доплера, составляет приблизительно 380 км/с на расстоянии 26 световых лет от центра M84, галактики, расположенной в скоплении галактик в созвездии Девы, на расстоянии 50 000 000 световых лет.

Данные STIS показывают, что излучение газа, движущегося в нашем направлении, смещено в фиолетовую часть спектра (левая часть изображения), справа от центра изображения смещено в красную область (отступающий газ), что указывает на присутствие диска материи, быстро вращающегося вокруг центра галактики. В результате мы видим характерную S-образную полосу черной дыры, масса которой по меньшей мере в 300 000 000 раз больше массы Солнца. Вполне вероятно, что черные дыры расположены в центре всех галактик.