Черные дыры. Их образование и эволюция

По мере увеличения массы остатка звезды происходит движение равновесной конфигурации вниз по изложенной последовательности. Вращательный момент увеличивает предельные массы на каждой ступени, но не качественно, а количественно (максимум в 2—3 раза).

Условия (главным образом, масса), при которых  конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния  вещества при чрезвычайно высоких  плотностях, недоступных экспериментальному изучению. Дополнительные сложности  представляет моделирование звёзд на поздних этапах их эволюции из-за сложности возникающего химического состава и резкого уменьшения характерного времени протекания процессов. Достаточно упомянуть, что одни из крупнейших космических катастроф, вспышки сверхновых, возникают именно на этих этапах эволюции звёзд. Различные модели дают нижнюю оценку массы чёрной дыры, получающейся в результате гравитационного коллапса, от 2,5 до 5,6 масс Солнца. Радиус чёрной дыры при этом очень мал — несколько десятков километров.

Впоследствии  чёрная дыра может разрастись за счёт поглощения вещества — как правило, это газ соседней звезды в двойных  звёздных системах (столкновение чёрной дыры с любым другим астрономическим  объектом очень маловероятно из-за её малого диаметра). Процесс падения газа на любой компактный астрофизический объект, в том числе и на чёрную дыру, называется аккрецией. При этом из-за вращения газа формируется аккреционный диск, в котором вещество разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается и в результате сильно излучает, в том числе и в рентгеновском диапазоне, что даёт принципиальную возможность обнаруживать такие аккреционные диски (и, следовательно, чёрные дыры) при помощи ультрафиолетовых ирентгеновских телескопов. Основной проблемой является малая величина и трудность регистрации отличий аккреционных дисков нейтронных звёзд и чёрных дыр, что приводит к неуверенности в идентификации астрономических объектов с чёрными дырами. Основное отличие состоит в том, что газ, падающий на все объекты, рано или поздно встречает твёрдую поверхность, что приводит к интенсивному излучению при торможении, но облако газа, падающее на чёрную дыру, из-за неограниченно растущего гравитационного замедления времени (красного смещения) просто быстро меркнет при приближении к горизонту событий, что наблюдалось телескопом Хаббла в случае источника Лебедь X-1^.

Столкновение  чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне. 25 августа 2011 года появилось сообщение о том, что впервые в истории науки группа японских и американских специалистов смогла в марте 2011 года зафиксировать момент гибели звезды, которую поглощает чёрная дыра

2.Сверхмассивные чёрные дыры. Разросшиеся очень массивные чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики — Стрелец A*.

В настоящее  время существование чёрных дыр  звёздных и галактических масштабов  считается большинством ученых надёжно доказанным астрономическими наблюдениями

Американские  астрономы установили, что массы  сверхмассивных чёрных дыр могут  быть значительно недооценены. Исследователи установили, что для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87 (которая расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть в два раза больше нынешних оценок ядра М87, которые составляют 3 млрд. солнечных масс^.

Для чёрной дыры в ядре галактики гравитационный радиус равен 3•10¹⁵ см = 200 а. е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона. Критическая плотность при этом равна 0,2•10^-3 г/см³, что в несколько раз меньше плотности воздуха.

3.Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе — их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр.

4.Квантовые чёрные дыры. Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Её масса — порядка 10⁻⁵ г, радиус — 10⁻³⁵ м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу.

Даже  если квантовые чёрные дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение  очень проблематичным.

В последнее  время предложены эксперименты с  целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных  реакциях. Однако для непосредственного  синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня  энергия 10²⁶ эВ. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

Эксперименты  по протон-протонным столкновениям с полной энергией 7 ТэВ на Большом адронном коллайдере показали, что этой энергии недостаточно для образования микроскопических чёрных дыр. На основании этих данных делается вывод, что микроскопические чёрные дыры должны быть тяжелее 3,5–4,5 ТэВ в зависимости от конкретной реализации 
 

Заключение.

Чёрные  дыры являются совершенно необычными по своим свойствам объектами. Несмотря на весь прогресс, достигнутый в их изучении, природа пространства и времени чёрных дыр в большой мере остаётся загадочной. Некоторые аспекты этой проблемы всё ещё выглядят как научные забавы, интересные только для специалистов.

Что касается практической реализации новых  идей, хотелось бы напомнить то, что в середине XIX века даже такая практическая (теперь) вещь, как электричество, казалась научной абстракцией. Когда британский премьер-министр того времени спросил Фарадея о практической ценности электричества, Фарадей ответил: „Когда-нибудь ваше правительство введёт на него налог“.

Что случится, если человечеству удастся создать  искусственную черную дыру? Оказывается, черные дыры не являются совсем «черными», они излучают так называемое «излучения Хокинга», что заставляет их терять энергию, а следовательно и массу с течением времени. Для больших черных дыр количество излучения является очень маленькой, но маленькие черные дыры могут быстро превратить свою массу в огромное количества энергии.

Луи Крэйн и Свон Вестморланд попытались вычислить, что потребуется для создания маленькой черной дыры, чтобы можно было использовать ее энергию. Они считают, что существует «золотая середина» для искусственных черных дыр, которые будут достаточно малыми, чтобы создавать огромное количество энергии, но достаточно большими, чтобы они не смогли сразу отдали всю свою энергию. По расчетам ученых идеальная искусственная черная дыра должна иметь массу около миллиона метрических тонн, а ее размер будет около одной тысячной размера протона. Черная дыра начнет моментально отдавать энергию, которая была сжата.

Мини  черные дыры могут быть также использованы как генераторы электрического тока, способные преобразовывать любую  материю непосредственно в энергию

Черные  дыры, предсказанные общей теорией  относительности (теорией гравитации, предложенной Эйнштейном в 1915) и другими, более современными теориями тяготения, были математически обоснованы Р.Оппенгеймером  и Х.Снайдером в 1939. Но свойства пространства и времени в окрестности этих объектов оказались столь необычными, что астрономы и физики в течение 25 лет не относились к ним серьезно. Однако астрономические открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры как на возможную физическую реальность. Их открытие и изучение может принципиально изменить наши представления о пространстве и времени.

Будучи  оптимистами, мы верим в огромные перспективы исследований в новой области физики и астрофизики чёрных дыр.

Список  литературы:

1. http://nasha-vselennaia.ru/

2. http://kosmos-x.net.ru

3. http://ru.wikipedia.org

4. http://evolutsia.com

5. http://kosmos19.narod.ru