18

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ,МОЛОДІ І СПОРТУ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ТЕХНІЧНИХ ТА ЕНЕРГОЕФЕКТИВНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

КАФЕДРА ЗАГАЛЬНОЇ ТА ТЕОРЕТИЧНОЇ ФІЗИКИ

ОБОВ’ЯЗКОВЕ ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

З фізики

«Останні досягнення у теорії та спостереженнях чорних дір»

Виконала: Говорова Т.О.

Група: І-05

Перевірив: Ромбовський М.Ю.

Суми 2012

План

Вступ

1.Історія «чорних дір».

2.Будова.

3. Останні досягнення у теорії та спостереженнях чорних дір.

Висновок

Список літератури

Вступ

У наш час важко знайти людину, яка не чула б про чорні діри. Разом з тим, мабуть, не менш важко відшукати того, хто зміг би пояснити, що це таке. Втім, для фахівців чорні діри вже перестали бути фантастикою - астрономічні спостереження давно довели існування як «малих» чорних дір (з масою порядку сонячної), які утворилися в результаті гравітаційного стиснення зірок, так і надмасивних (до 109 мас Сонця), які породив колапс цілих зоряних скупчень в центрах багатьох галактик, включаючи нашу.Одним з найбільш дивних передбачень теорії тяжіння Ейнштейна є можливість існування чорних дір - компактних масивних об'єктів, що володіють настільки сильним гравітаційним полем, що ніякі фізичні тіла, ніякі сигнали не можуть вирватися з них назовні. І хоча чорні діри з повною достовірністю поки ще не відкриті, є чимало причин, по яких вони залучають до себе в останні роки пильну увагу вчених. Мабуть, найбільш важливою з них є те, що виявлення чорних дір мало б значення, що виходить далеко за рамки астрофізики, оскільки мова йде не про відкриття ще одного, бути може, досить дивного астрофізичного об'єкта, а про перевірку правильності наших уявлень про властивості простору і часу в сильних гравітаційних полях. Теоретичні дослідження властивостей чорних дір і можливих наслідків гіпотези про їх існування особливо інтенсивно розвивалися останні 15 років. Поряд з вивченням тих особливостей чорних дір, які важливі для розуміння їх можливих астрофізичних проявів, теоретичні дослідження дозволили виявити ряд несподіваних закономірностей,і встановити глибоку зв'язок фізики чорних дір. З такими на перший погляд далекими областями, як Термодинаміка та теорія інформації. Про чорні діри, їх місце в астрофізиці та про їх дивовижні властивості і піде мова нижче.

1.Історія «чорних дір»

Гравітаційні викривлення, сприченені чорною дірою перед Великою Магелановою Хмарою.

Лаплас в 1787 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.

В 1916 Шварцшильд знайшов розв'язок рівнянь загальної теорії відносності Ейнштейна для сферично-симетричного тіла. За ЗТВ, якщо розмір тіла не перевищує гравітаційного радіуса ,(де G=(6,673 ± 0,003)×10 см /г×с - постійна тяжіння Ньютона,с - швидкість світла,М - маса тіла),тіло своїм тяжінням буде захоплювати світло і будь-яку іншу матерію. Гравітаційний радіус для Сонця складає 3 км, а для масивних зір до 200 км.

В 1930-х при побудові теорії еволюції зір було показано, що зорі з масою понад 3 маси Сонця на кінцевій стадії своєї еволюції неодмінно повинні колапсувати (стискатися) до гравітаційного радіуса. В 1967 Джон Вілер назвав такі колапсари "чорними дірами". В 1960-х були відкриті галактики з активними ядрами - квазари, радіогалактики та інші. Для поясненні їхнього випромінювання була побудована модель акреції (випадіння) речовини на гігантську (мільйони кілометрів) чорну діру в центрі галактики.

В 1970-х Стівен Хокінг теоретично передбачив квантове випромінювання мікроскопічних чорних дірок (розміром менших за атомне ядро). Такі чорні діри могли утворитися в момент Великого Вибуху і залишитися до наших днів. Первинні чорні діри спостерігати неможливо, тому вони залишаються гіпотетичними. У 2000-х роках встановлено, що практично в центрі кожної галактики розташована чорна дірка, а також ту особливу роль, яку відіграють чорні дірки в утворенні галактик.

За виникнення чорних дір відповідальні сили тяжіння.

Якщо прийняти за одиницю енергію ядерного (сильного) взаємодії між двома протонами на відстані порядку розміру протона , то енергія їх електромагнітної взаємодії буде в раз менше , енергія слабкої взаємодії досягає , а енергія гравітаційного тяжіння складе всього лише .Гравітаційні сили - дальнодіючі. Властивість дальнодії означає, що сила, діюча на пробну частинку з боку тіла, що створює поле, повільно, за степеневим законом, зменшується з відстанню. Завдяки цій властивості пробна частинка відчуває тяжіння з боку всіх частин масивного тіла, в тому числі і достатньо від неї віддалених. Поряд з тяжінням володіє електромагнітна взаємодія, в той час як сильна і слабка взаємодії є короткодіючими і мають малі радіуси дії.

Механізми утворення чорних дір проміжних мас:

1)Утворення чорної діри під час Великого вибуху у ранньому всесвіті. Під час Великого вибуху могли утворитися первині чорні діри будь-яких мас, у тому числі і багато тисяч мас Сонця.

2)Залишки зірок третього типу населення. Зорі третього типу населення - це перші зорі у всесвіті, які виникли у перші сотні мільйонів років його існування. Вони мали великі маси що могло призвести до утворення досить масивних чорних дір.

3)Зіткнення зірок і чорних дір у кулястому зоряному скупчені. Також чорні діри проміжних мас можуть існувати у ядрах галактик. При утворення галактики речовина колапсує і в її центрі можуть утворюватися чорні діри проміжних мас, з яких з часом утворюється гігантська надмасивна чорна діра. Місце чорних дір проміжних мас:

1)Утворення надмасивних чорних дір у ядрах галактик.

2)Чорні діри проміжних мас можуть бути джерелами гравітаційних хвиль. Якщо будуть зареєстровані гравітаційні хвилі, то за допомогою них можна буде безпосередньо відкрити чорні діри проміжних мас.

Чорна діра – це астрофізичний обєкт, який створює настільки велику силу тяжіння, що навіть швидкості світла не достатньо, щоб відірватися від її поверхні.

Розрізняють різні типи чорних дір за розміром. Спостерігати велику чорну діру можна у випадку, коли вона перебуває не на самоті, наприклад, поблизу якої-небудь зірки або у газо-пиловій хмарі. При цьому спостерігається специфічне рентгенівське випромінювання та викиди речовини з зірки у вигляді струменів. Для виявлення мікроскопічних чорних дір, які пролітають крізь Землю розробляються методи реєстрації звукових хвиль, які вони породжують. Крім того, мікродіри залишають сліди у земній корі.

Зародження великої чорної діри є наслідком «загибелі» зірки значної маси внаслідок дії сили тяжіння, яке після припинення роботи термоядерного реактора зірки,призводить до її колапсу.

Із загальної теорії відносності випливає, що чорна діра викривлює час і простір – являє собою так звану зону сингулярності.

Розрізняють два основних типи чорних дір: чорна діра Шварцшильда і Чорна діра Керра. Перша – є найпростішою за будовою і містить лише горизонт подій (вхід до чорної діри) та сингулярність (колапсове ядро). Друга ж є найпоширенішою у Всесвіті формою чорних дір, обертається завдяки попередньому обертанню зірки, що її створила. Складається з таких елементів: сингулярність, горизонт подій, ергосфера (яйцеподібна ділянка викривленого простору навколо горизонту подій, створена обертанням чорної діри) і статичний ліміт (межа між ергосферою та звичайним простором). Також виділяють чорні діри зоряних мас (утворюються, як кінцевий етап життя зірки), чорні міні-діри (дрібні чорні діри, розміром з ядро атома, які розкидані по всьому Всесвіту. За радикально-новою гравітаційною теорією вони є залишками Великого Вибуху та по-іншому впливають на час і простір), надмасивні чорні діри, які утворюють ядра галактик), первинні чорні діри (поки що є гіпотезами і вважають, якщо в початкові моменти життя Всесвіту існували достатньої величини відхилення відоднорідності гравітаційного поля і щільності матерії, то з них шляхом колапсу могли утворюватися чорні діри ) і квантові чорні діри (принцип утворення є ядерні реакції і час їх існування досить малий).

Вивчення чорних дір не тільки дозволить людству розкрити таємницю народження та еволюцію Всесвіту, але й може призвести до створення нових невичерпних джерел енергії і різних, доки ще фантастичних технологій. Це спричиняє невичерпний інтерес до чорних дір. Наприклад, Великий адронний колайдер – найбільший у світі прискорювач елементарних частинок.

Відзначимо основні напрямки досліджень фізичних чорних дір.

Неквантові явища:

- Структура обертових чорних дір;

- Збурення горизонту подій і ії затухання;

- Зіткнення чорних дір і випромінювання гравітаційних хвиль;

- Можливість існування замкнутих треєкторій в просторі-часі, тобто можливість подорожі у часі;

Квантові явища:

• Властивості випромінювання Хокінга;

• Зникнення інформації в чорній дірі;

• Взаємодія планківських чорних дір з елементарними частинками;

• Спектр мас квантових чорних дір;

• Заключні стадії випаровування чорної діри ;

Астрофізичні аспекти фізики чорних дір:

• Мембранна парадигма;

• Динаміка гравітаційного колапсу (формування чорних дірок);

• Акреція речовини в дірку;