Черные діри

Черные дыры

Черная діра є породженням тяжіння. Тому передісторію відкриття чорних дір можна розпочати з часу І. Ньютона, відкрив закон всесвітнього тяготения.

В 1783 року Англійське корольовське суспільство заслухало доповідь Д. Мітчелла, який стверджував, якби дома Сонця перебувала зірка той самий щільності, але з радіусом на 500 гривень разів більше, ніж в сонця, світлові промені могли б залишити поверхня такої зірки.

Митчелл аргументував свою пропозицію так. Якщо світ подає собою потік частинок, то ці частки піддаються впливу тяжіння точно як і, як будь-який інший тіло. Відомо, що у Землі, наприклад, необхідно повідомити тілу швидкість порядку 11 кілометрів на секунду, і тоді це тіло назавжди втратить зв’язку з Землею. Така швидкість називається другий космічної скоростью.

Ясно, що замість більше маса тіла, і що менше його радіус, то більше вписувалося швидкість утікання. Кількісна значення швидкості світла Мітчеллові було відомо. Потрібно було збагнути масу тіла, лежить на поверхні якого швидкість утікання дорівнює швидкості світла. Через 30-ть років великий французький математик П. Лаплас знову розглянув цю завдання й отримав результат аналогічний результату Мітчеллові. 200 років тому вони ця завдання ні кого ніхто не зацікавила. І, тим щонайменше до цього курйозу довелося повернутися сто з зайвому років після робіт Мітчелла і Лапласа. Німецький фізик До. Шварцшильд вивчав, зокрема, поведінка світла сильному полі тяжіння, утворюваному сферичним тілом (зіркою). Він здобув дивовижний результат, котра перебувала тому, що, якщо тіло маси М має радіус Rg, то, при Rg=2GM/c cила тяжіння збігаються з простий формулою, отриманих з закону Ньютона. Нескінченне значення тяжіння в механіці Ньютона виходить лише тому випадку, коли ми стиснемо тіло до точку. У цьому радіус тіла буде нульовий. Шварцшильд ж дістала вираз для деякого цілком певного значення радіуса гравитирующего тіла, коли тяжіння стає нескінченним. Оскільки сила тяжіння стали нескінченними це сприятиме безперервному стиску речовини в точку, в так звану сингулярність. Якщо ми лише сягнули гравітаційного радіуса, так далі починається гравітаційний коллапс.

Нет сил, які б перешкоджати цього процесу. Коллапсирующий об'єкт буде стискатися до безкінечною щільності і малих розмірів. Отже, швардшильдовская чорна діра — це область простору, радіус якої дорівнює радіусу Шварцшильда. У його центрі перебуває сингулярність, де речовина стисло до безмежних плотностей нескінченними силами тяжіння. Постає питання у тому, чи існує у природі таке явище? Що б дати відповідь це питання звернемося до вивчення пізніших стадій еволюції звезд.

Массивные зірки можуть зникнути загалом внаслідок потужного миттєвого термоядерного вибуху. Залишком після вибуху то, можливо нейтронна зірка. Відбувається процес загибелі і народження зірок. Гине гігант і під час загибелі, проходять етап катастрофічного вибуху, породжує, залишає замість себе нейтронну зірку. Ця зірка стійка: сила гравітації величезні, але тиск вырожденной нейтронної рідини ще довго можуть врівноважити ці сили. Проте, якщо маса ядра більше трьох мас Сонця, сила тяжіння виграють сутичку. І це отже, що сила гравітації буде стискати речовина зірки до стану з безкінечною щільністю, в точку. Говорячи інакше кажучи, деякі масивні зірки мають в кінці свого життя перетворитися на чорні дыры.

В 1918 року астрономи спробували провести перші експерименти по перевірки загальної теорії відносності (ОТО). Цього року довелося повне сонячне затемнення, й у час спостережень його вдалося помітити відхилення променів світла на полі тяжіння Сонця. Довкола Сонця ефект викривлення світлового променя невеликий, але достатній для прямих спостережень.

Поле тяжіння чорної діри незмірно сильніше поля тяжіння Сонця, і ефект ОТО повинен виявлятися там набагато помітнішою. І це дійсно, розрахунки показали, що світло, проходить щодо близькості від чорної діри, буде гравітаційно захоплений нею. На відстані, рівному приблизно, півтора шварцшильдовским радіусів, існує уявна окружність, яку світловий промінь буде «навиваться». Якщо промінь проходить від діри більш близькому відстані, він поглинеться нею. Також можливо настільки сильне викривлення променя світла, що фотони можуть іти у замкнутої окружности.

Ряд додаткових, цікавих ефектів виникає у випадки з обертовою чорної дірою. Річ у тім, що Шварцшильд отримав своє рішення для нерухомій чорної діри, а природі, на цей випадок ні не могло взагалі. Адже нейтронні зірки обертаються нас дуже швидко, а бо нейтронні зірки, і чорні діри — продукт еволюції масивних зірок, чорні діри також має мати власну обертання.

Скорость обертання і безліч повністю визначають властивості чорної діри. Основні властивості обертовою діри у тому, навколо неї утворюється область простору-часу з дуже незвичними властивостями, звана эргосферой. Ця сфера обмежена уявлюваного поверхнею, що називається межею стаціонарності. Між обрієм подій і межею стаціонарності ніщо неспроможна залишатися у спокої, там саме простір-час хіба що закручується навколо осі обертання чорної діри.

Экватор придела стаціонарності обертався чорної діри має однаковий діаметр з обрієм подій невращающейся чорної діри тієї ж маси. Процес обертання діри наводить лише до дивовижною можливості, яку вперше звернув увагу англійський фізик-теоретик Р. Пенроуз в 1969 року. Він довів, що з эргосферы чорної діри можна черпати енергію.

Если якесь тіло потрапляє у эргосферу і поділяється там на частини в такий спосіб, що одне з без них буде рухатися до обрію подій, а в протилежну бік, ця друга частина підхоплена гравітаційним вихором эргосферы і викинуто із великою швидкістю з її. Зауважимо, що енергія уламка буде перевищувати початкову енергію вихідного тала.

Поскольку закони збереження річ непорушна, повинна зменшуватися загальна енергія діри. Зрозуміло, що з відерця самій діри ми нічого витягти поспіль не можемо, з визначення, отже, енергія черпається з эргосферы рахунок зменшення енергії обертання діри, уповільнення обертання. Отже, обертові чорні діри можна принципі найпотужнішими джерелами енергії у Вселенной.

Наиболее разючий ефект в поведінка чорних дір було відкрито 1973 року професором кафедри математики Кембриджського університету З. Хокингом. Хогинг, одне із найбільших фізиків-теоретиків сьогодення, зацікавився питанням про еволюції чорних дір. Він досліджував квантові ефекти поведінки частинок поблизу горизонту подій, і саме ця новий підхід дозволив їй зробити видатне відкриття.

Суть відкриття Хокінга у тому, що жахливий гравітаційного поля чорної діри породжує частинки й античастинки. Іноді частка і античастка падають знову на чорну діру, але може бути випадок, як у діру потрапляє лише одне партнер, а інший залишає околиці чорної діри з допомогою тунельного ефекту. Зрозуміло, для народження пари мусить бути витрачена енергія. Гокінг суворо довів, що все цей процес повинен йти рахунок зменшення маси чорної діри, її випаровування. Ну і якщо відбувається процес випаровування, можна сказати, що тіло має деяку температуру.

Ясно, що замість гаряче діра, то швидше вона втрачає массу.

Черные діри — цілком виняткові об'єкти, схожі на що, відоме досі. Вивчення фізики чорних дір дозволяє розширити пізнання про фундаментальних властивості простору й часу. Кажучи образно, чорні діри — це двері до нову, найширшу область пізнання фізичного мира.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.