Черные дыры и как они образуются

1.

Предмет: Астрономия
Студент: Носиков Сергей Дмитриевич
Руководитель проекта: Дейс Светлана Борисовна
Учреждение: НКЭиВТ
Группа: 252-КС
В процессе работы над исследовательским проектом по астрономии на тему "Черные дыры и как они образуются"
студентом 252 группы была достигнута поставленная цель, узнать как можно больше о черных дырах, а также выяснить
признаки, по которым можно обнаружить черную дыру в космосе.

2.

Подробнее о работе:
В индивидуальной исследовательской работе по астрономии "Черные дыры и как они образуются" приводятся
теоретические сведения и дается определение понятия "черная дыра" в астрономии, рассматривается история
открытия и исследования черных дыр, рассматриваются теоретические сведения о свойствах черных дыр, а также
поднимается вопрос слияния черных дыр в космосе, выясняются причины и последствия этого.
В учебном исследовательском проекте астрономии на тему "Черные дыры и как они образуются" студент 252
группы колледжа было проведено исследование, по результатам которого он ознакомилась с теорией и расчетами
Эйнштейна в области черных дыр, выяснил какие существуют трудности в обнаружении черных дыр и проблемы в
наблюдении за ними, узнал, какое применение ученые нашли для черных дыр в космическом пространстве.

3.

Оглавление
Введение
1. Что такое черная дыра и как она образуется.
2. Свойства черных дыр.
3. Слияние черных дыр.
4. Теория, расчеты Эйнштейна.
5. Обнаружение черных дыр.
Заключение
Список литературы

4.

Введение
Каждый из нас хоть раз в своей жизни сталкивался с понятием «черная дыра». В фантастических фильмах, книгах,
телепередачах встречался с образом черной дыры, как одного из самых страшных и загадочных явлений нашей
Вселенной.
Однако, создатели кинофильмов и писатели зачастую утрируют и искажают физический смысл явления, заставляя
работать образ «поглощающего гиганта» на развитие сюжета. Многие люди настолько верят всему
происходящему в фильмах и псевдонаучных телепередачах, что искаженное представление составляет для них
ложную картину мира.
Распространенный миф о черных дырах говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя. Так ли это?
Как они образуются?Вот на эти вопросы я и попытаюсь ответить в своей работе, основываясь на статьях ученых.
Таким образом, цель моей исследовательской работы (проекта) по астрономии "Черные дыры и как они
образуются" – выяснить, что представляют собой черные дыры и как они образуются.

5.

1.Что такое черная дыра и как она образуется
Чёрная дыра - область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть
её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области
называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом.
По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:
1)Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды на конечном этапе её эволюции.
2)Коллапс центральной части галактики или галактического газа. Современные представления помещают огромную чёрную
дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик. Например в центре нашей Галактики находится
чёрная дыра Стрелец A* массой, вокруг которой вращается меньшая чёрная дыра.
3)Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи.
Такие чёрные дыры называются первичными.
4)Возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях высоких энергий — квантовые чёрные дыры.

6.

2.Свойства черных дыр
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.
Одно из самых любопытных свойств 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.

7.

3.Слияние черных дыр
2) Объединение (слияние) двух черных дыр – одно из самых странных и загадочных процессов, которые должны
происходить во Вселенной и которые современная астрономия жаждет увидеть непосредственно в реальности.
Астрономы ранее высказывали предположение, что при столкновении галактик черные дыры, находящиеся в их
центрах, могут сливаться. Компьютерные модели подтверждают, что такие колоссальные события действительно
происходят.
Некоторые галактики выбрасывают потоки энергии в двух противоположных направлениях вдоль оси вращения.
Предполагается, что эти потоки возникают под воздействием черных дыр, которые нельзя увидеть
непосредственно. Исследуя галактики с помощью радиотелескопа, ученые обнаружили, что у 7% галактик
наблюдается внезапный сдвиг в направлении энергетических потоков. Изменение направления потоков
свидетельствует о нарушении равновесия в галактической системе.
Ученые пока не могут объяснить, что притягивает черные дыры друг к другу после того, как они лишаются своего
окружения. Но когда расстояние между ними уменьшается до размера солнечной системы, черные дыры начинают
испускать энергию в виде гравитационных волн. Затем они начинают неуклонно скользить навстречу, все быстрее и
быстрее закручиваясь в спираль. Финальное слияние вызывает сильнейший выброс гравитационной энергии.
Исследование галактик, испускающих гравитационные потоки, позволяет предположить, что подобные гигантские
столкновения происходят в окружающей нас вселенной примерно раз в год.

8.

4.Теория, расчеты Эйнштейна
Рассмотрим всемирную теорию тяготения Ньютона. Силу гравитационного притяжения мы испытываем прямо здесь,
на поверхности Земли. Если подбросить камень, он упадет под действием земного притяжения. А можно ли
подбросить камень с такой скоростью, чтобы он на Землю не вернулся? Можно. Если запустить камень со скоростью
выше второй космической скорости (около 11 км/с), он покинет гравитационное поле Земли.
Эта «скорость выхода» зависит от массы и радиуса земного шара. Если бы Земля при ее нынешнем радиусе была
массивнее или имела бы меньший радиус при ее нынешней массе, скорость выхода была бы выше.
Возникает вопрос: что будет, если плотность и масса космического тела настолько велики, что скорость выхода из
его гравитационного поля выше скорости света?
Ответ: такое тело будет представляться внешнему наблюдателю абсолютно черным, поскольку свет его покинуть не
может. Например, звезда с радиусом меньше, чем

9.

где GN - постоянная Ньютона, а с - скорость света в вакууме, будет выглядеть абсолютно черной.
Другими словами, чтобы тело, масса которого равна массе Земли, превратилось в черную дыру, оно должно иметь
радиус меньше сантиметра. Тело с массой Солнца должно сжаться до диаметра меньше километра. На это еще в
конце XVIII века указал Пьер-Симон Лаплас, но тогда никто не придал этому особого значения.
С появлением в 1905 году специальной теории относительности появилось понимание того факта, что скорость
света в вакууме - не рядовая скорость. Это космический предел: ничто не может двигаться быстрее света. Теория
относительности Эйнштейна также учит нас, что пространство и время тесно взаимосвязаны.
Для наблюдателей, движущихся друг относительно друга, время течет с разной скоростью. Предположим, вы
стоите на улице и смотрите на проезжающие машины. Для водителей машин время течет чуть медленнее, чем для
вас, и несколько иначе. Предположим, вы видите, как два светофора в разных концах улицы одновременно
переключаются на красный. Для водителей же они переключатся не одновременно.
Это получается после того, как мы учтем время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние от светофора
до наблюдателей. И для вас, и для водителей свет движется с одинаковой скоростью, но время для них течет
медленнее.

10.

То есть, время относительно, а скорость света абсолютна. Это противоречит нашим интуитивным представлениям
о мире, так как эффект этот на нас практически не сказывается, поскольку мы обычно путешествуем на скоростях,
которые очень далеки от скорости света, а время измеряем не с абсолютной точностью. Однако в ускорителях
элементарных частиц этот эффект наблюдается постоянно. При скоростях, близких к скорости света, частицы
живут значительно дольше.
Пространство и время объединяются в единую концепцию пространства-времени. Время воспринимается поразному двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга. Однако оба наблюдателя воспринимают
одно и то же пространство-время. Имеются точные формулы, позволяющие нам связать наблюдения этих двух
наблюдателей.
Возвращаясь к гравитации, необходимо отметить ее важное свойство, которое открыл еще Галилей: все тела
падают одинаково, если не учитывать сопротивление воздуха. В безвоздушном пространстве пушинка и камень
упадут на землю одновременно. В случае действия других сил это не так.
В электрическом поле заряженная частица будет двигаться иначе в случае изменения ее массы или заряда. В
теории всемирного тяготения Ньютона причина, по которой все тела движутся под воздействием гравитационных
сил одинаково, сводится к тому, что сила гравитационного притяжения пропорциональна массе тела. Иногда это
называют «принципом эквивалентности».

11.

Эйнштейн осознал, что теория Ньютона противоречит теории относительности, поскольку согласно ньютоновской
теории гравитационное взаимодействие между телами передается мгновенно. В 1915 году Эйнштейн решил эту
проблему таким образом, что из этого решения естественным путем вытекает и принцип эквивалентности. Свою
новую концепцию Эйнштейн назвал общей теорией относительности.
Он предположил, что гравитация возникает вследствие искривления пространства-времени. В искривленном
пространстве-времени частицы движутся по кратчайшим траекториям. Изначально параллельные линии таких
траекторий в искривленном пространстве-времени могут сближаться. Например, два земных меридиана на
пересечении с экватором параллельны, однако по мере удаления от него они сближаются и, в конечном итоге,
пересекаются в точке Северного полюса.
Конфигурация пространства-времени зависит от материи, перемещающейся в нем. Общая теория относительности
подразумевает, что темп времени зависит от гравитационного поля. Следовательно, два жильца одного дома,
обитающие на первом и последнем этажах, воспринимают ход времени по-разному.

12.

Для обитателя первого этажа время течет чуть медленнее, чем для обитателя верхнего этажа. Для земных зданий
этот эффект пренебрежимо мал и составляет порядка 10–15 секунды за секунду. Главное это то, что массивные
тела стягивают пространство-время на себя. В частности, вблизи массивных объектов время течет медленнее, чем
на удалении от них.
Физики всегда стремятся сначала разобрать простейшие ситуации. Поэтому в 1916 году, вскоре после открытия
общей теории относительности, молодой немецкий физик Карл Шварцшильд нашел простейшее сферически
симметричное решение уравнений Эйнштейна. Это решения описывает частный случай искривления геометрии
пространства-времени под воздействием точечной массы. Однако, вместо геометрии, давайте обратим внимание
на другой их аспект: темп хода стационарных часов.
Часы на поверхности Солнца идут на одну миллионную медленнее, чем удаленные от Солнца часы. Часы на
поверхности нейтронной звезды идут со скоростью 70% от скорости часов вдали от нее. Здесь налицо уже весьма
значительный эффект расхождения во времени. Так вот, решение Шварцшильда подразумевает, что часы в
«центре» точечной массы вообще остановились бы.
Поначалу физики сочли это «не физическим» парадоксом, следствием слишком упрощенного анализа. Дальнейшие
расчеты показали, однако, что речь в решении Шварцшильда идет даже не о некоем условном «центре», а о целой
идеальной сфере. Путешественник, пересекающий границы этой сферы и попадающий внутрь нее, не испытывает
ничего странного или необычного - для него время течет по-прежнему.

13.

А вот для сторонних наблюдателей за пределами этой сферы, принимающих сигналы от падающего внутрь сферы
путешественника, любые сигналы от него будут неуклонно замедляться, пока не исчезнут, как таковые, при
пересечении им поверхности сферы. Поверхность, на которой стационарные часы замедляются до нуля, принято
называть сферой Шварцшильда или «горизонтом». Возврата из-за горизонта нет.
Наблюдатель, пересекший его и попавший внутрь сферы, обратно не выберется и будет неизбежно поглощен
сингулярностью в ее центре. «Сингулярность» - это область сверхвысокого искривления пространства-времени, и
путешественник в ней попросту исчезнет и будет раздавлен огромной гравитационной силой. Выясняется, что
размер черной дыры согласно теории Эйнштейна описывается все той же формулой, предложенной еще Лапласом
в рамках механики Ньютона, однако ее физическая интерпретация в корне меняется.

14.

5.Обнаружение черной дыры
Проблем в исследовании и наблюдении за черными дырами довольно много, однако главная трудность состоит в
их обнаружении. Свет не может преодолеть их гравитацию, а это значит, что объект с такой колоссальной массой
остается невидим! Так что даже если бы самый мощный телескоп современности - "Хаббл" - "увидел" сверх
массивную черную дыру, понять, что она действительно там есть, сможет только астрофизик. Как правило, черные
дыры обнаруживают себя через искажение орбит звезд, расположенных вокруг.
Также они имеют рентгеновское и гамма-излучение (это происходит из-за потоков водорода, самого
распространенного вещества в нашей Вселенной), которые, прежде чем исчезнуть в черных дырах, нагреваются до
температуры в несколько миллионов градусов. Еще один способ - узнать массу, а затем объем объекта и сравнить
его с гравитационным радиусом. Этот метод считается единственным достоверным. Узнать, является ли объект
черной дырой, помогает ученым и соотношение его массы и светимости, скорость волновых источников и скорость
вращения газа.

15.

Применение черных дыр
Учеными доказано, что не исключена возможность в будущем использовать черные дыры как источник энергии. Излучают они
так называемое «излучение Хокинга», при котором теряется энергия, и, с течением времени вследствие этого и массу. Для
черных дыр больших размеров излучаемое количество энергии является меньшим, но, маленькие черные дыры смогут за
достаточно короткий промежуток времени превращать свою массу в большое, и даже, можно сказать, большое количество
энергии.
Ученые Свон Вестморланд и Луи Крэйн попытались выяснить, что необходимо для создания искусственной маленькой черной
дыры, для того чтобы получить возможность использовать ее энергию. Они выдвинули предположение, что существует т.н.
«золотая середина» для создания искусственных дыр, которые будут очень маленькими для возможности создавать большое
количество энергии, и в то же время настолько большими, для того чтобы они не смогли отдать всю свою энергию сразу.
Исходя из расчетов ученых, масса идеальной искусственной дыры должна составлять примерно миллион метрических тонн,
при размерах равных примерно 0,001 протону.
Одной из самых интересных тем в современной научной фантастике является концепт использования черных дыр в качестве
порталов в другую вселенную, время или измерение. Многие астрофизики утверждают, что в настоящих условиях такое
попросту невозможно. Однако группа исследователей из Университета штата Массачусетс в Дортмунде (США) считает, что
эта фантазия на самом деле не так уж и далека от реальности.

16.

Заключение
Из вышесказанного в проекте "Черные дыры и как они образуются" можно сделать вывод о том, что черная дыра это тот объект Вселенной, который окончательно еще не изучен. Черные дыры, несомненно, самые загадочные
объекты в космосе. Их причудливые свойства могут бросить вызов законам физики Вселенной и даже природе
существующей действительности.
В рамках этой исследовательской работы (проекта) на тему "Черные дыры и как они образуются" я поняла, что
черные дыры образуются из ядер супер массивных звезд, которые можно охарактеризовать как область
пространства, где огромная масса сосредоточена в пустоте, и ничего, даже свет не может там избежать
гравитационного притяжения. Эта та область пространства, где вторая космическая скорость превышает скорость
света. И чем массивнее объект движения, тем быстрее он должен двигаться, чтобы избавиться от силы своей
тяжести.
«Распространенный миф о черных дырах говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя» говорилось в ведении данной работы. Но, это не так. Они будут всасывать материю, которая находится на
определенном расстоянии, а в остальном они действуют не иначе, чем массивные звезды.

17.

Список литературы:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Интернет-ресурсы.
Стивен Хокинг книга «Черные дыры и молодые вселенные»
Стивен Хокинг книга «Краткая история времени: От Большого Взрыва до черных дыр»
https://clck.ru/9cWUG
https://clck.ru/enoSF
https://clck.ru/enoUV
https://clck.ru/enoXQ
https://clck.ru/enoYR
https://clck.ru/enoHC