Чорні діри проміжних мас

Зміст 

1. Історія 
2. Будова 
3. Спостереження
4. Стівен Гокінг – дослідник чорних дір 
5. Чорні діри проміжних мас
6. Падіння в чорну діру 
7. Модель на базі теорії струн 
8. Чорні діри у Всесвіті 
1. Чорні діри зоряних мас 
2. Надмасивні чорні діри 
3. Первинні чорні діри 
4. Квантові чорні діри

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чорна діра — астрофізичний об’єкт, який створює настільки велику силу тяжіння, що жодні як завгодно швидкі частинки не можуть покинути його поверхню, в т. ч. світло. Загальна теорія відносності передбачає, що достатньо компактна маса буде деформувати простір-час, утворюючи чорну діру. Навколо чорної діри існує математично визначена поверхня, що називаєтьсягоризонтом подій, яка визначає точку, з якої вже немає повернення. Вона називається "чорною", тому що поглинає все світло, що потрапляє на горизонт, нічого не відбиваючи, подібно абсолютно чорному тілу в термодинаміці. Квантова механіка передбачає, що чорні діри випромінюють подібно чорному тілу зі скінченною температурою. Ця температура обернено пропорційна до маси чорної діри, роблячи важкими спостереження цього випромінювання для чорних дір зоряних мас та вище.

 

Об'єкти, поле гравітації яких настільки сильне для світла, що воно не здатне вирватися, були вперше розглянуті у 18 століттіДжоном Мічеллом та П'єром-Симоном Лапласом. Карл Шварцшильд, видатний німецький фізик, був першим, хто запропонував розв'язок загальної відносності, що може характеризувати чорну діру, у 1916 році. Його розв'язок базувався на інтерпретації чорної діри як області простору, з якої ніщо не може втекти. Ця пропозиція настільки випередила свій час, що вона не була повністю оцінена впродовж наступних чотирьох десятиліть. Компактні об'єкти, що утворилися внаслідок гравітаційного колапсу, стали нарешті достовірною астрофізичною реальністю після відкриття нейтронних зір у середині 60-х. Представляючи собою математичний інтерес, теоретичні роботи численних відомих астрофізиків впродовж цієї ери показали, що чорні діри є передбаченням загальної відносності, що з необхідністю слідує з неї.

 

Очікується, що чорні діри зоряних мас утворюються, коли у зорі масою більше 10 мас Сонця закінчується паливо. Це призводить до скидання зовнішніх шарів газу при вибуху наднової. Ядро зорі колапсує і стає надгустим, так що навіть атомні ядра стискаються разом. Густина енергії у ядрі при цьому прямує до нескінченності. Після того, як чорна діра утворилася, вона може продовжувати рости, абсорбуючи масу зі свого оточення. Абсорбуючи інші зорі та зливаючись з іншими чорними дірами, можуть утворитися надмасивні чорні діри з масами порядку мільйонів мас Сонця. Загальноприйнято, що надмасивні чорні діри існують в центрах більшості галактик. Зокрема, є беззаперечний доказ існування чорної діри масою більше 4 мільйонів мас Сонця у центрі нашої Галактики.

Незважаючи на невидимість структури, присутність чорної діри може бути виявлена через її взаємодію з  іншою матерією, світлом або іншим електромагнітним випромінюванням. Із зоряних рухів може бути обчислена маса та положення невидимого компонента. Було відкрито близько шести подвійних зоряних систем, в яких одна з зір невидима, але має існувати, тому що вона змушує своєю гравітаційною силою іншу, видиму зорю обертатися навколо їх спільного центру мас. Таким чином, ці невидимі зорі є добрими кандидатами у чорні діри. Астрономи ідентифікували численні кандидати у чорні діри зоряних мас у подвійних системах, вивчаючи рух їх компаньйонів таким чином.

 

Історія :

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.

Протягом XIX століття ідея тіл, невидимих ​​внаслідок своєї масивності, не викликала великого інтересу у вчених. Це було пов'язано з тим, що в рамках класичної фізики швидкість світла не має фундаментального значення. Проте в кінці XIX — початку XX століття було встановлено, що сформульовані Дж. Максвеллом закони електродинаміки, з одного боку, виконуються у всіх інерціальних системах відліку, а з іншого боку, не володіють інваріантністю щодо перетворень Галілея. Це означало, що існуючі у фізиці уявлення про характер переходу від однієї інерціальної системи відліку до іншої потребують значного коректування.

В ході подальшої розробки електродинаміки Г. Лоренцем була запропонована нова система перетворень просторово-часових координат (відомих сьогодні як перетворення Лоренца), щодо яких рівняння Максвелла залишалися інваріантними. Розвиваючи ідеї Лоренца, А. Пуанкаре припустив, що всі інші фізичні закони також інваріантні щодо цих перетворень.

У 1905 році А. Ейнштейн використав концепції Лоренца і Пуанкаре у своїй спеціальній теорії відносності (СТО), в якій роль закону перетворення інерційних систем відліку остаточно перейшла від перетворень Галілея до перетворень Лоренца. Класична (галілеївських-інваріантна) механіка була при цьому замінена на нову, Лоренц-інваріантну релятивістську механіку. В рамках останньої швидкість світлавиявилася граничною швидкістю, яку може розвинути фізичне тіло, що радикально змінило значення чорних дір у теоретичній фізиці.

Однак ньютонівська теорія тяжіння (на якій базувалася первісна теорія чорних дір) не є Лоренц-інваріантною. Тому вона не може бути застосована до тіл, що рухаються з наближеною до світлової і світловими швидкостями.

Позбавлена ​​цього недоліку релятивістська теорія тяжіння була створена, в основному, Ейнштейном (сформулював її остаточно до кінця 1915 року) і отримала назву загальної теорії відносності (ЗТВ). Саме на ній і грунтується сучасна теорія чорних дір.

За своїм характером ЗТВ  є геометричною теорією. Вона припускає, що гравітаційне поле являє собою прояв викривлення простору-часу (яке, таким чином, виявляється псевдоріманове, а не псевдоевклідове, як в спеціальній теорії відносності). Зв'язок викривлення простору-часу з характером розподілу і руху полягають в ньому мас дається основними рівняннями теорії — рівняннями Ейнштейна.

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, радіогалактики та інші. 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 моментВеликого 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.

 

Будова:

 

Чорна діра може мати три фізичні параметри: масу, електричний заряд і момент імпульсу. Навколо чорної діри можна побудувати уявну поверхню, з-під якої не може виходити випромінювання, така поверхня називається горизонтом подій. Область простору-часу поблизу чорної діри, розташована між горизонтом подій і межею статичності називається ергосферою. Об'єкти, що знаходяться в межах ергосфери, неминуче обертаються разом з чорною дірою за рахунок ефекту Ленза — Тіррінга. Ергосфера має форму сфероїда, менша піввісь якого рівна радіусу горизонту подій, більша — подвоєному радіусу. В надрах чорної діри кривина сили гравітації сягає нескінченності в області, яка називаєтьсясингулярністю^[1]. Для чорних дір, які не обертаються, сингулярність має форму точки. Сингулярність чорної діри, яка обертається, має форму кільця^[2].

 

Спостереження:

Чорні діри зоряних мас  спостерігаються у складі тісних подвійних систем. Речовина зорі-супутника перетікає на чорну діру по спіралі. При цьому утворюється акреційний диск, який випромінює в рентгенівському і гамма-діапазонах. Перша чорна діра була відкрита в 1967 в сузір'ї Лебедя. До 2004 р. рентгенівський космічний телескоп RXTE достовірно виявив 15 чорних дір в подвійних зоряних системах в нашій галактиці.

Маси гігантських чорних дір визначають по швидкостях зір в ядрах галактик. На 2004 р. таким чином визначені маси центральних чорних дір в 30 галактиках, в тому числі і в нашій.

Також чорні діри можуть бути виявлені завдяки явищу гравітаційного лінзування (при проходженні чорної діри між звичайною зорею і спостерігачем, відбувається візуальне збільшення яскравості зорі, оскільки гравітаційне поле чорної діри викривляє світлові промені). Це явище також називають кільцями Ейнштейна.

Наймасивніша з відомих  чорних дір має масу 6.6 млрд сонячних мас. Вона є центральною чорною діркою у галактиці Мессьє 87. ^[3]

 

Стівен  Гокінг – дослідник чорних зір:

 

Біографія:

Стівен Гокінг народився в 1942 році. У 1962 він закінчив Оксфордський університет та почав заняття теоретичною фізикою.

Гокінг хворий на захворювання мотонейронів. Перші симптоми недуги з'явилися, коли йому ще не було 21 року. Спочатку вони були слабкими: легка незграбність та кілька несподіваних падінь. Однак з часом, як можна було передбачити, знаючи природу захворювання, невиліковний стан лише погіршувався. Діагноз став величезним потрясінням, однак допоміг людині визначити своє майбутнє. "Хоча над моїм майбутнім нависла хмара, на свій подив я з'ясував, що тепер почав отримувати від життя більше задоволення, ніж раніше", - каже професор.

У 1965 році Гокінг одружився  з Джейн Вайлд, пізніше в них народилась дочка та двоє синів. До 1974 року сім’я професора сама давала раду із захворюванням. На той час він ще міг самостійно їсти, вставати й лягати в ліжко, хоча довгі прогулянки були вченому не під силу. Через кілька років стало очевидним, що родині потрібен професійний доглядач і що професор Гокінґ більшу частину своїх днів проводитиме в колісному візку. У 1985 році вчений захворів на пневмонію, яка дала серйозне ускладнення. Після необхідної операції професор втратив голос. Відтепер йому до кінця життя стала потрібна цілодобова допомога відданої команди людей.

Впродовж 30 років Гокінг працював на посаді Лукасівського професора  математики в Кембриджському університеті, тобто на тій же посаді, що її триста років тому обіймав Ісаак Ньютон. У житті вченого, як і в будь-якої іншої людини, були свої злети та падіння.

Після 26 років подружнього життя в 1990 році вони з Джейн розлучилися. Через п’ять років професор Гокінг одружився вдруге – з однією зі своїх доглядальниць. Однак після 11 років життя їхня родина також розпалася на тлі звинувачень у тому, що професор під час цих стосунків був жертвою нападів. Сам вчений заперечував такі заяви. Поліція, провівши розслідування, сказала, що не виявила доказів цим твердженням.

Впродовж усього життя  фізик не припиняв працювати. У свої 70 років, професор Гокінг не подає жодних ознак послаблення на цьому фронті. Дідусь трьох онуків продовжує активно  займатися наукою, пише книжки. Учений залишається оптимістом у плані  свого фізичного здоров'я. "Людська  раса така немічна, якщо порівнювати  з Всесвітом, що бути інвалідом –  не така вже й важлива річ з точки зору космосу". "Переконаний, моя інвалідність має відношення до того, чому я широковідомий. Людей зачаровує контраст між дуже обмеженими фізичними можливостями та широченною природою Всесвіту, з якою я маю справу". "Я – архетип генія-інваліда, чи, краще сказати, генія з обмеженими фізичними можливостями, щоб бути політично коректним. Принаймні, я очевидно маю обмежені фізичні можливості. А от чи геній я – це питання сумнівне", - каже вчений.

 

Компютерний голос:

Деякий час професор Гокінґ міг спілкуватися лише єдиним способом: він підіймав брову, коли хтось вказував на потрібну літеру на картці з алфавітом. Та потім комп’ютерний експерт з Каліфорнії Волт Волтош, дізнавшись про становище професора, надіслав йому власноруч розроблену програму, яку він назвав Equalizer. Вона дозволяла за допомогою перемикача в долоні вибирати на екрані потрібні слова з системи меню. Вибране слово вимовляв синтезатор мовлення, який став "брендовим" голосом професора Гокінґа. Фізик розповідає: "Голос людини дуже важливий. Якщо ви розмовляєте невиразно, люди можуть ставитися до вас так, наче ви розумово неповносправний: "Йому класти цукор?" Цей синтезатор поки що найкращий з тих, які я чув, бо він змінює інтонацію і не говорить як далек [далеки – раса мутантів з британського науково-популярного серіалу]. Єдина проблема – він надає мені американського акценту".

Наукова діяльність:

Дослідження Гокінга переважно стосуються космології та квантової гравітації. Його основні досягнення:

• використання термодинаміки до чорних дір.
• доведення того, що чорні діри "випаровуються" за рахунок явища, яке отримало назву випромінювання Гокінга.
• 21 липня 2004 Гокінґ представив доповідь, в якій виклав свою точку зору на розв'язання парадоксу про зникнення інформації в чорній дірі.