МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ, НАУКИ МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
КІРОВОГРАДСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ВИННИЧЕНКА
КАФЕДРА
Фізики та методики її викладання
Реферат на тему:
Проблеми виникнення чорних дірок Всесвіту
Виконав:
Студент 2 курсу
22 групи
Фізико- математичного
факультету
Лисенко Олександр
Дмитрович
Кіровоград 2012
Зміст
ВСТУП…………………………………………………………………………...3
Розділ 1. Історія ідеї про чорні діри……………………………………….….. 5
Розділ 2. Формування чорних дір………………………………………….…..6
2.1Структура чорної діри………..………………………………………….…..8
2.2 Властивості чорних дір………...…………………………………………...9
2.3 Пошуки чорних дір………………………………………………………….13
2.4 Падіння в чорну діру………………………………………………………..15
Розділ 3. Види чорних дір………..……………………………………………..17
ВИСНОВОК..……………………..……………………………………………..19
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ………………………………………………………..20
Додатки……………………………..…………………………………………....21
Вступ
Чорна діра – область простору, в якій гравітаційне тяжіння настільки сильне, що ні речовина, ані випромінювання не можуть цю область покинути. Для тіл друга космічна швидкість повинна була б перевищувати швидкість світла, що неможливо, оскільки ні речовина, ані випромінювання не можуть рухатися швидше за світло. Тому з чорної діри ніщо не може вилетіти. Кордон області, за яку не виходить світло, називають "горизонтом подій", або просто "горизонтом" чорної діри.
Сутність гіпотези утворення чорних дір полягає в наступному: якщо деяка маса речовини виявляється в порівняно невеликому обсязі, критичному для неї, то під дією сил власного тяжіння така речовина починає нестримно стискатися. Настає своєрідна гравітаційна катастрофа – гравітаційний колапс. У результаті стиску зростає концентрація речовини. Нарешті, настає момент, коли сила тяжіння на її поверхні стає настільки великою, що для її подолання треба розвинути швидкість, що перевершує швидкість світла. Такі швидкості практично недосяжні, і із замкнутого простору чорної діри не можуть вирватися ні промені світла, ні частки матерії. Випромінювання чорної діри виявляється "замкненим" гравітацією. Чорні дірки здатні лише поглинати випромінювання.
Щоб поле тяжіння змогло "замкнути" випромінювання, що створює це поле, маса (M) повинна стиснутися до об'єму з радіусом, меншим "гравітаційного радіуса" r*g = 2GM/c2. З цієї причини створити і досліджувати чорну діру в лабораторії практично неможливо: щоб тіло будь-якої маси (навіть у мільйони тонн) стало чорною дірою, його потрібно стиснути до розміру, меншого, ніж розмір протона або нейтрона, тому властивості чорних дір поки вивчаються тільки теоретично. Однак розрахунки показують, що тіла астрономічного масштабу (наприклад, масивні зірки) після виснаження в них термоядерного палива можуть під дією власного тяжіння стискатися до розміру свого гравітаційного радіуса. Пошук таких об'єктів ведеться вже більше 40 років, і зараз можна з великою упевненістю вказати декілька вельми вірогідних кандидатів в чорні діри з масами від одиниць до мільярдів мас Сонця. Проте їх вивчення ускладнене величезними відстанями від Землі. І хоча сам факт існування чорних дір вже важко ставити під сумнів, практичне вивчення їх властивостей ще попереду.
Історія ідеї про чорні дірки
Лаплас 1787 року вперше розрахував розмір тіла з густиною води, на поверхні якого друга космічна швидкість дорівнює швидкості світла. Таке тіло для зовнішнього спостерігача було б абсолютно чорним.
1916 року Шварцшильд знайшов розв'язок рівнянь загальної теорії відносності Ейнштейна для сферичносиметричного тіла. За ЗТВ, якщо розмір тіла не перевищує гравітаційного радіуса , тіло своїм тяжінням буде захоплювати світло і будь-яку іншу матерію. Гравітаційний радіус для Сонця становить 3 км, а для масивних зір — до 200 км.
В 1930-х при побудові теорії еволюції зір було доведено, що зорі з масою понад 3 маси Сонця на кінцевій стадії своєї еволюції неодмінно повинні колапсувати (стискатися) до гравітаційного радіуса. 1967 року Джон Вілер назвав такі колапсари "чорними дірами".
В 1960-х було відкрито галактики з активними ядрами — квазари(рис 1), радіогалактики та інші.
Рис 1:на зображенні галактика в середині якої сильне випромінювання-квазар.
Для пояснення їхнього випромінювання було побудовано модель акреції (падіння) речовини на велетенську (розміром більше мільйона кілометрів) чорну діру в центрі галактики.
В 1970-х Стівен Хокінг теоретично передбачив квантове випромінювання мікроскопічних чорних дір (розміром менших за атомне ядро). Такі чорні діри могли утворитися в момент Великого Вибуху і залишитися донині. Первинні чорні діри спостерігати неможливо, тому вони залишаються гіпотетичними.
У 2000-х роках встановлено, що в центрі практично кожної галактики розташована чорна діра, а також ту особливу роль, яку відіграють чорні діри в утворенні галактик.
Формування чорних дір
Найбільш очевидний шлях утворення чорної діри – колапс ядра масивної зірки. Поки в надрах зірки не виснажився запас ядерного палива, її рівновага підтримується за рахунок термоядерних реакцій (перетворення водню в гелій, потім у вуглець, і т.д., аж до заліза у найбільш масивних зірок). Тепло, що виділяється при цьому, компенсує втрату енергії, що йде від зірки з її випромінюванням і зоряним вітром. Термоядерні реакції підтримують високий тиск в надрах зірки, перешкоджаючи її стиску під дією власної гравітації. Проте з часом ядерне паливо виснажується і зірка починає стискатися.
Найбільш швидко стискається ядро зірки, при цьому воно сильно розігрівається (його гравітаційна енергія переходить у тепло) і нагріває навколишню його оболонку. У результаті зірка втрачає свої зовнішні шари у вигляді планетарної туманності, що повільно розширюється, або катастрофічно скинутої оболонки. А доля стискального ядра залежить від його маси. Розрахунки показують, що якщо маса ядра зірки не перевершує трьох мас Сонця, то вона "виграє битву з гравітацією": його стиснення буде зупинено тиском виродженої речовини, і зірка перетвориться на білий карлик або нейтронну зірку. Але якщо маса ядра зірки більше трьох сонячних, то вже ніщо не зможе зупинити його катастрофічний колапс, і воно швидко піде під горизонт подій, ставши чорною дірою. Як випливає з формули для rg, чорна діра з масою 3 сонячних має гравітаційний радіус 8,8 км.
Астрономічні спостереження добре узгоджуються з цими розрахунками: всі компоненти подвійних зоряних систем, що проявляють властивості чорних дірок (у 2005 їх відомо близько 20), мають маси від 4 до 16 мас Сонця. Теорія зоряної еволюції указує, що за 12 млрд. років існування нашої Галактики, яка містить близько 100 млрд. зірок, в результаті колапсу найбільш масивних з них повинно було утворитися декілька десятків мільйонів чорних дір. До того ж, чорні діри дуже великої маси (від мільйонів до мільярдів мас Сонця) можуть перебувати в ядрах великих галактик, в тому числі, і нашої. Про це свідчать астрономічні спостереження, хоча шляхи формування цих гігантських чорних дір не цілком ясні. Якщо в нашу епоху висока щільність речовини, необхідна для народження чорної діри, може виникнути лише в стискальних ядрах масивних зірок, то в далекому минулому, відразу після Великого вибуху, з якого близько 14 млрд. років тому почалося розширення Всесвіту, висока щільність матерії була всюди. Тому невеликі флуктуації щільності в ту епоху могли приводити до народження чорних дір будь-якої маси, в тому числі і малої. Але найменші з них в силу квантових ефектів повинні були випаруватися, втративши свою масу у вигляді випромінювання і потоків частинок. "Первинні чорні діри" з масою більше 1012 кг могли зберегтися до наших днів. Найдрібніші з них, масою 1012 кг (як у невеликого астероїда), повинні мати розмір близько 10–15 м (як у протона або нейтрона). Нарешті, існує гіпотетична можливість народження мікроскопічних чорних дір при взаємних зіткненнях швидких елементарних частинок. Таким є один із прогнозів теорії струн – одній з конкуруючих зараз фізичних теорій будови матерії. Теорія струн пророкує, що простір має більше трьох вимірів. Гравітація, на відміну від інших сил, повинна розповсюджуватися по всіх цих вимірів і тому істотно посилюватися на коротких відстанях. При потужному зіткненні двох частинок (наприклад, протонів) вони можуть стиснутися достатньо сильно, щоб народилася мікроскопічна чорна діра. Після цього вона майже миттєво руйнуватиметься ("випарується"), але спостереження за цим процесом представляє для фізики великий інтерес, оскільки, випаровуючись, дірка випускатиме всі існуючі в природі види часток. Якщо гіпотеза теорії струн вірна, то народження таких чорних дір може відбуватися при зіткненнях енергійних частинок космічних променів з атомами земної атмосфери, а також у найбільш потужних прискорювачах елементарних частинок.