Что такое черная дыра?

Еще в 1795 г. великий французский математик Пьер-Симон Лаплас, исследуя распространение света в поле тяготения, пришел к выводу, что в природе могут встречаться тела, абсолютно черные для внешнего наблюдателя. Поле тяготения таких тел настолько велико, что не вы пускает наружу лучей света. На языке космонавтики это означает, что вторая космическая скорость была бы больше скорости света с. Вывод Лапласа основывался на следующем рассуждении. Для того чтобы преодолеть гравитационное притяжение, создаваемое телом с массойМ, и улететь на бесконечность, пробное тело на поверхности этого тела радиуса R должно обладать скоростьюv, такой, чтоv²/2>=GM/R. Считая, что это соотношение применимо для света, мы вместе с Лапласом приходим к заключению, что если масса объекта сосредоточена в области с радиусом, меньшим такназываемого гравитационного радиуса тела? R_g :R_g= =2GМ/с²~=~1,5-10^-28 М (массаМ измеряется в граммах, R_g — в сантиметрах), то даже свет не выйдет за пределы этой области. Для Солнца гравитационный радиус — около 3 км, для Земли — порядка 1 см.

Теория Эйнштейна — ключ к проблеме черных дыр. Вывод Лапласа, строго говоря, является ошибочным, поскольку он основан на классической механике и 'теории тяготения Ньютона. В действительности, однако, нельзя пользоваться ни той, ни другой: распространение света подчиняется законам релятивистской механики, а сильное поле тяготения, описывается общей теорией относительности. Тем не менее, как это иногда случается в истории науки, обе “ошибки” Лапласа точно скомпенсировали друг друга и вывод о невозможности выхода световых сигналов из-под гравитационного радиуса оказался совершенно правильным. Подобное тело, сжатое до размера своего гравитационного радиуса, получило название черной дыры, а границу черной дыры, т. е. поверхность, ограничивающую область, откуда невозможен выход сигналов, стали называть горизонтом событий.

Литература:

1.Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция (физики -М., ГИТТЛ, 1956г.

2.Кузнецов Б. Эйнштейн (жизнь, смерть, бессмертие) -М., Наука,

1972г.

3.Брагинский В. и др. Удивительная гравитация -m., Наука, б-ка «Квант», вып. 39.

4.Новиков Н. Черные дыры и Вселенная -М., Мо­лодая гвардия,

1995г.

5Розман Г. Специальная теория относительности - Псков, ПОИПКРО, 1995г.

6 Розман Г. Введение в общую теорию относительности А.Эйнштейна- Псков , ПОИПКРО, 1998г.

3. Структурные уровни и системная организация материи

Тема 3.01. Микро-, макро-, мегамиры

     Структуры мегамира: звезды, планетные системы, галактики:

Звезды– раскаленные газовые космические объекты, внутри которых протекают ядерные реакции. За счет энергии этих реакций выделяется огромное количество лучевой энергии. Наиболее изученной звездой является наше Солнце.

Планеты– космические тела, как твердые, так и газовые, не излучающие лучевой энергии, но имеющие массу достаточную, чтобы за счет сил тяготения их форма стала близкой к форме сферы. Если масса недостаточна, то такие тела могут иметь любую самую причудливую форму и называютсяастероиды,если они твердые икометы,если большую часть их массы составляют газы. Планеты, захваченные гравитационным полем звезды движутся по эллиптическим орбитам вокруг нее и образуютпланетные системы.

Скопления звезд вместе с планетными системами образуют галактики.

Критерии деления на микромир, макромир и мегамир:

В качестве такого критерия принимают линейные размеры тела. Все тела, имеющие линейные размеры менее 1 микрона (10^-6м) относят кмикромиру. Тела с линейными размерами от 1мкм до тысяч километров (10⁶м) составляютмакромир.Объекты с размерами большими 10⁶м относятся кмегамиру.

Пространственные масштабы Вселенной.

Единицы измерения расстояний в мегамире. Астрономическая единица.

световой год- расстояние, проходимое светом за один календарный год, принимается в качестве единицы межгалактических расстояний (межзвездных) ; величина этого пути равна примерно 10 триллионов километров;

парсек - астрономическая единица измерения расстояний в мегамире, равная 3,26 сетовых лет.

Временные масштабы Вселенной. Явления, позволившие оценить время существования Вселенной:

эффект Доплера– изменение частоты световых волн вследствие взаимного движения наблюдателя и источника;

закон Хаббла– « закон разбегания», согласно которому все галактики (в среднем) удаляются от нас, и скорость этого разбегания “v” (приблизительно) прямо пропорционально расстоянию  “r” до рассматриваемой галактики: v = Hr, где v – радиальная скорость удаления от эпицентра, H – общепринятая константа, постоянная Хаббла  (H~ 50 – 100 км/с/Мпк), r – удаление наблюдаемого объекта.

Характеристики звезд, определяемые из наблюдений:

светимость (мощность излучения) – полное количество энергии, излучаемое звездой за единицу времени;

масса - массы звезд заключены в пределах от 0,03 до 60 М_С, где М_С = 2 ∙10³³г масса Солнца;

радиус– расстояние от поверхности звезды до ее центра;

спектральный состав излучения.- Температура, светимость, химический состав, степень ионизации атомов и прочие параметры для звезд, от которых до нас доходит излучение, проявляются в особенностях спектров звезд (наборе преобладающих длин волн, из которых состоит излучение). Эмпирически спектры звезд были подразделены на семь классов, которые обозначаются буквами: О, В, А,F,G,K,M. Для более детальных подробностей классы разделены на девять подклассов, обозначаемых цифрами от 1 до 9.

Спектр электромагнитных излучений.

Электромагнитные излучения различаются длиной волны λ, которая может изменяться в очень широких пределах от 10^-15м до 10¹⁵м, определяющих шкалу длин волн. Вся эта шкала длин волн делится на диапазоны, каждый из которых имеет свое название:радиоволны- волны, у которых λ > 10^-2м;

инфракрасный диапазон - 10^-2м > λ > 10^-4м;

видимый диапазон - λ = 200 ÷ 10000 нм;

ультрафиолетовый диапазон - λ = 10 – 100 нм;

рентгеновское и гамма-излучение- λ < 10 нм.Вселенная – часть материального мира, которая доступна наблюдению астрономическими средствами.

Метагалактика – (от греческогоmeta– после, за, между) – изученная в настоящее время часть Вселенной со всеми находящимися в нейгалактикамии другими объектами.

Крупномасштабная структура Вселенной – в состав Вселенной входит несколько миллиардов галактик, образующих однородную крупномасштабнуюячеистуюструктуру.

Однородность и изотропность Вселенной на очень больших масштабах (150 - 200 Мпк) - наблюдаемое однородное распределение вещества во Вселенной в масштабах, превышающих 50Мпк (мегапарсек) ; в объеме около 125 Мпк³, в который попадает в среднем около 6000 галактик. Плотность их «размазанного» вещества всюду примерно одинакова, структуры – ячеистые, и его свойства не зависят от направления в пространстве.

Скопления и сверхскопления галактик – участки Вселенной, в которых количество галактик выше или во много раз превосходит среднее значение числа галактик, приходящееся на 1 кубическую астрономическую единицу Вселенной.

Квазары (от англ.quasar, сокр. отquasistellarradiosource– квазизвездный источник излучения) – мощные внегалактические источники излучения, превосходящие излучение обычных галактик в десятки раз; космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров, по – видимому, активные ядра далеких галактик, не регистрируемых существующими астрономическими методами.

Млечный Путь- наша Галактика.

Состав Солнечной системы:Солнце, планеты, спутники планет, астероиды, кометы, метеориты;

Космические лучи и солнечный ветер –падающее на Землю проникающее излучение, приходящее из космоса, было названокосмическими лучами;сгустки солнечной плазмы, регулярно выбрасываемые Солнцем в окружающее пространство, получили названиесолнечный ветер.

Планета земной группы:Меркурий, Венера, Земля, Марс – массивные твердые небесные тела, имеющие форму сферы, движущиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам.

Планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун – массивные газовые небесные тела, имеющие форму сферы, массу много больше массы Земли, движущиеся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца.

Пояс астероидов – скопление астероидов между орбитами Марса и Юпитера.

Облако Орта - на отдаленной окраине Солнечной системы расположено огромное скопление комет, называемое "облакомОрта" по имени открывшего его голландского астронома Орта. ВоблакеОртанасчитывается до триллиона комет.

Пояс Койпера - область Солнечной системы за орбитой Нептуна (30 а. е. от Солнца) приблизительно до расстояния 50 а. е. В этой области расположено большое количествопланетоидов ,самым известным (но не самым крупным) из которых являетсяПлутон.

Созвездия– участки звездного неба с группами звезд, выделенные для ориентировки, как не меняющие во времени своего взаимного расположения.

Звезды – самосветящиеся гигантские газовые (плазменные) тела, подобные Солнцу. В недрах звезд идут термоядерные реакции синтеза химических элементов.

Источники энергии звезд:

термоядерный синтез- реакция слияния легких ядер в более тяжелые, протекающая при температурах более 10 млн. град.

энергия гравитационного сжатия– энергия, выделяющаяся при сжатии звезды на последних стадиях эволюции под действием собственных сил тяготения.Планетарные туманности - планетарные туманности являются сброшенными верхними слоямисверхгиганта. Свечение обеспечивается возбуждением газа ультрафиолетовым излучением центральной звезды. Туманность излучает в оптическом диапазоне, газ туманности нагрет до температуры порядка 10000 К. Гиганты и сверхгиганты - относительно холодные звёзды высокой светимости с протяжёнными оболочками. Из-за низкой эффективной температуры этих звёзд (3000-5000 К) поток энергии с единицы площади их поверхности мал - в 2-10 раз меньше, чем у Солнца. Однако, светимость таких звёзд может достигать 10⁵– 10⁶светимости Солнца, т.к. красные гиганты (к. г.) и красные сверхгиганты (к. с.) имеют очень большие радиусы - до 4000-5000 радиусов Солнца и, соответственно, огромные поверхности.Черные дыры – космические объекты, существование которых следует из теории тяготения Эйнштейна (общей теории относительности), как результат эволюции массивных звезд, приводящий к гравитационному коллапсу – гравитационному сжатию, при котором излучение такой звезды «заперто» гравитационным полем и не может покинуть ее пределы.

Пульсар – пульсирующий источник радиоизлучения, представляющий собой вращающуюся нейтронную звезду, у которой есть активная область, генерирующая оптическое, рентгеновское и гамма излучения.Сверхновые звезды – внезапно вспыхивающие звезды, мощность излучения которых превышает мощность излучения отдельной галактики (насчитывающей миллиарды звезд). В результатом взрыва образуются тяжелые химические элементы, в центре взрыва возникает нейтронная звезда, а в окрестностях взрыва образуется волокнистая туманность.

Движения Солнца в Галактике. Скорость движения Солнца вокруг центра галактики составляет около 250 км/с.

Солнце – нормальная звезда. На большом статистическом материале датский астроном Герцшпрунг и американский астроном Рессел независимо друг от друга установили четкую связь между спектральным классом звезды и ее светимостью и представили эту связь в виде диаграммы. На этой диаграмме большинство звезд в виде точек располагаются в полосе, идущей из верхнего левого угла в нижний правый угол. Эта полоса называетсяглавной последовательностью.Звезды, попадающие по своим характеристикам на главную последовательность, называются нормальными. Наше Солнце располагается в этой группе.