МІНІСТЕРСТВООСВІТИ УКРАЇНИ
Установа освіти
В«БрестськаДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ А. С. ПУШКІНА В»
Фізичний факультет
Кафедра теоретичноїфізики і астрономії
Курсова робота зспеціалізації В«Теоретична фізикаВ»
Чорні діри: об'єктикосмічних досліджень
Брест 2010
Зміст
Введення
Історія ідеї про чорні діри
Властивості чорних дір
Небесна механіка чорних дір
Чорні дірки і світло
Пошук чорних дір
Висновок
Список літератури
Введення
Як відомо, чорноїдірою називається область простору-часу, в якій гравітаційне поленастільки сильно, що навіть світло не може покинути цю область. Це відбувається,якщо розміри тіла менше його гравітаційного радіуса
де G - постійнатяжіння, c - швидкість світла, М - маса тіла. Гравітаційний радіус Сонця 3 км, Землі - близько 9 мм.
Загальна теоріявідносності А. Ейнштейна пророкує дивовижні властивості чорних дір, зяких найважливіше - наявність у чорної діри горизонту подій. Для невращающейсячорної діри радіус горизонту подій збігається з гравітаційним радіусом. Нагоризонті подій для зовнішнього спостерігача хід часу зупиняється.Космічний корабель, посланий до чорної діри, з точки зору далекогоспостерігача, ніколи не перетне горизонт подій, а буде безперервносповільнюватися в міру наближення до нього. Все, що відбувається під горизонтомподій, всередині чорної діри, зовнішній спостерігач не бачить. Космонавт в своємукораблі в принципі здатний проникнути під горизонт подій, але передати будь-якуінформацію зовнішньому спостерігачеві він не зможе. При цьому космонавт, вільнопадаючий під горизонтом подій, ймовірно, побачить іншу Всесвіт, і навіть своємайбутнє ... Пов'язано це з тим, що всередині чорної діри просторова ітимчасова координати міняються місцями, і подорож у просторі тутзамінюється подорожжю в часі. Ще більш незвичайні властивості обертовихчорних дір. У них горизонт подій має менший радіус, і занурений він всерединуергосфери - області простору-часу, в якій тіла повинні безперервнорухатися, підхоплені вихровим гравітаційним полем обертається чорної дірки.
Такі незвичайнівластивості чорних дірок багатьом здаються просто фантастичними, томуіснування чорних дір у природі часто ставиться під сумнів. Однак, забігаючивперед, відзначимо, що, згідно з новітніми спостережною даними, чорні діридійсно існують і їм притаманні дивовижні властивості.
Історіяідеї про чорні діри
Англійська геофізик іастроном Джон Мічелл (J.Michell, 1724-1793) припустив, що в природі можутьіснувати настільки масивні зірки, що навіть промінь світла не здатний покинути їхповерхню. Використовуючи закони Ньютона, Мічелл розрахував, що якби зірка змасою Сонця мала радіус не більше 3 км, то навіть частинки світла (які він, слідом за Ньютоном, вважав корпускулами) не могли б відлетіти далеко від такоїзірки. Тому така зірка здавалася б здалеку абсолютно темною. Цю ідеюМічелл представив на засіданні Лондонського Королівського товариства 27 листопада1783. Так народилася концепція В«ньютонівськоїВ» чорної діри.
Таку ж ідею висловиву своїй книзі В«Система світуВ» (1796) французький математик і астроном П'єр СимонЛаплас. Простий розрахунок дозволив йому написати: В«Светящаяся зірка із щільністю,рівною щільності Землі, і діаметром, в 250 разів більшим діаметра Сонця, не даєжодному світловому променю досягти нас через своє тяжіння; тому можливо,що найяскравіші небесні тіла у Всесвіті виявляються з цієї причининевидимими В». Однак маса такої зірки повинна була б у десятки мільйонів разівперевершувати сонячну. А оскільки подальші астрономічні вимірювання показали,що маси реальних зірок не дуже сильно відрізняються від сонячної, ідея Мітчелаі Лапласа про чорні діри була забута.
Вдруге вченіВ«ЗіткнулисяВ» з чорними дірами в 1916, коли німецький астроном Карл Шварцшильдаотримав перше точне рішення рівнянь тільки що створеної тоді АльбертомЕйнштейном релятивістської теорії гравітації - загальної теорії відносності(ЗТВ). Виявилося, що порожній простір навколо масивної крапки володієособливістю на відстані r g від неї; саме тому величину r g часто називають В«шварцшільдовскім радіусомВ», а відповідну поверхню(Горизонт подій) - шварцшільдовскім поверхнею. У наступні півстоліттязусиллями теоретиків були з'ясовані багато дивовижні особливості вирішенняШварцшильда, але як реальний об'єкт дослідження чорні дірки ще нерозглядалися.
Правда, в 1930-ті, післястворення квантової механіки і відкриття нейтрона, фізики досліджували можливістьформування компактних об'єктів (білих карликів і нейтронних зірок) якпродуктів еволюції нормальних зірок. Оцінки показали, що після виснаження внадрах зірки ядерного палива, її ядро ​​може стиснутися перетворитися на маленькийі дуже щільний білий карлик або ж у ще більш щільну і зовсім крихітнунейтронну зірку.
У 1934 працювали в СШАєвропейські астрономи Фріц Цвіккі і Вальтер Бааде висунули гіпотезу - спалахинаднових являють собою абсолютно особливий тип зоряних вибухів, викликанихкатастрофічним стисненням ядра зірки. Так вперше народилася ідея про можливістьспостерігати колапс зірки. Бааде і Цвіккі висловили припущення, що вВнаслідок вибуху наднової утворюється надщільна вироджена зірка,складається з нейтронів. Розрахунки показали, що такі об'єкти дійсно можутьнароджуватися і бути стійкими, але лише при помірній початковій масі зірки. Алеякщо маса зірки перевищує три маси Сонця, то вже ніщо не зможе зупинитиїї катастрофічного колапсу.
У 1939 американськіфізики Роберт Оппенгеймер і Хартланд Снайдер обгрунтували висновок, що ядромасивної зірки повинно безупинно коллапсировать в гранично малий об'єкт,властивості простору навколо якого (якщо він не обертається) описуютьсярішенням Шварцшильда. Іншими словами, ядро ​​масивної зірки в кінці її еволюціїповинно стрімко стискатися і йти під горизонт подій, стаючи чорноюдірою. Але оскільки такий об'єкт (як казали тоді, В«колапсарВ», абоВ«Застигла зіркаВ») не випромінює електромагнітні хвилі, то астрономи розуміли,що виявити його в космосі буде неймовірно важко і тому довго неприступали до пошуку.
Оскільки ніякоїносій інформації не здатний вийти з-під горизонту подій, внутрішнячастина чорної діри причинно не пов'язана з рештою Всесвіту, що відбуваютьсявсередині чорної діри фізичні процеси не можуть впливати на процеси поза нею. У тойВодночас, речовина і випромінювання, падаючі зовні на чорну діру, вільнопроникають всередину через обрій. Можна сказати, що чорна діра все поглинає інічого не випускає. З цієї причини і народився термін В«чорна діраВ»,запропонований в 1967 американським фізиком Джон Арчібальд Уїлер.
Властивостічорних дір
Поблизу чорної діринапруженість гравітаційного поля так велика, що фізичні процеси тамможна описувати тільки за допомогою релятивістської теорії тяжіння. Згідно ЗТВ,простір і час викривляються гравітаційним полем масивних тіл, причомунайбільшу викривлення відбувається поблизу чорних дір. Коли фізики говорять проінтервалах часу і простору, вони мають на увазі числа, лічені зяких фізичних годин і лінійок. Наприклад, роль годин може гратимолекула з певною частотою коливань, кількість яких між двомаподіями можна називати В«інтервалом часуВ».
Важливо, що гравітаціядіє на всі фізичні системи однаково: всі годинники показують, що чассповільнюється, а всі лінійки, що простір розтягується поблизу чорної діри.Це означає, що чорна діра викривляє навколо себе геометрію простору ічасу. Вдалині від чорної діри це викривлення мало, а поблизу таке велике, щопромені світла можуть рухатися навколо неї по колу. Вдалині від чорної діри їїполе тяжіння в точності опи...
