Утворення чорних дір та їх властивості

Історичний факультет

Реферат на тему:

"Утворення чорних дір та їх властивості"

Зміст

Вступ

1. Історія ідеї про чорні діри

2. Формування чорних дір

3. Властивості чорних дір

4. Пошуки чорних дір

5. Термодинаміка і випаровування чорних дір

6. Падіння в чорну діру

7. Види чорних дір

Висновок

Список літератури

Вступ

Чорна діра - область простору, в якій гравітаційне тяжіння настільки сильне, що ні речовина, ані випромінювання не можуть цю область покинути. Для тіл друга космічна швидкість повинна була б перевищувати швидкість світла, що неможливо, оскільки ні речовина, ані випромінювання не можуть рухатися швидше за світло. Тому з чорної діри ніщо не може вилетіти. Кордон області, за яку не виходить світло, називають "горизонтом подій", або просто "горизонтом" чорної діри.

Сутність гіпотези утворення чорних дір полягає в наступному: якщо деяка маса речовини виявляється в порівняно невеликому обсязі, критичному для неї, то під дією сил власного тяжіння така речовина починає нестримно стискатися. Настає своєрідна гравітаційна катастрофа - гравітаційний колапс. У результаті стиску зростає концентрація речовини. Нарешті, настає момент, коли сила тяжіння на її поверхні стає настільки великою, що для її подолання треба розвинути швидкість, що перевершує швидкість світла. Такі швидкості практично недосяжні, і із замкнутого простору чорної діри не можуть вирватися ні промені світла, ні частки матерії. Випромінювання чорної діри виявляється "замкненим" гравітацією. Чорні дірки здатні лише поглинати випромінювання.

Щоб поле тяжіння змогло "замкнути" випромінювання, що створює це поле, маса (M) повинна стиснутися до об'єму з радіусом, меншим "гравітаційного радіуса" rg = 2GM/c². З цієї причини створити і досліджувати чорну діру в лабораторії практично неможливо: щоб тіло будь-якої маси (навіть у мільйони тонн) стало чорною дірою, його потрібно стиснути до розміру, меншого, ніж розмір протона або нейтрона, тому властивості чорних дір поки вивчаються тільки теоретично.

Однак розрахунки показують, що тіла астрономічного масштабу (наприклад, масивні зірки) після виснаження в них термоядерного палива можуть під дією власного тяжіння стискатися до розміру свого гравітаційного радіуса. Пошук таких об'єктів ведеться вже більше 40 років, і зараз можна з великою упевненістю вказати декілька вельми вірогідних кандидатів в чорні діри з масами від одиниць до мільярдів мас Сонця. Проте їх вивчення ускладнене величезними відстанями від Землі. І хоча сам факт існування чорних дір вже важко ставити під сумнів, практичне вивчення їх властивостей ще попереду.

1. Історія ідеї про чорні діри

Англійський геофізик і астроном Джон Мічелл припустив, що в природі можуть існувати настільки масивні зірки, що навіть промінь світла не здатний покинути їх поверхню. Використовуючи закони Ньютона, Мічелл розрахував, що якби зірка з масою Сонця мала радіус не більше 3 км, то навіть частинки світла (які він, слідом за Ньютоном, вважав корпускулами) не могли б відлетіти далеко від такої зірки. Тому така зірка здавалася б здалеку абсолютно темною. Цю ідею Мічелл представив на засіданні Лондонського Королівського товариства 27 листопада 1783. Так народилася концепція "ньютонівської" чорної діри.

Таку ж ідею висловив в своїй книзі Система світу (1796) французький математик і астроном П'єр Симон Лаплас. Простий розрахунок дозволив йому написати: "світиться зірка з щільністю, рівною щільності Землі, і діаметром, в 250 разів більшим діаметра Сонця, не дає жодному світловому променю досягти нас із-за свого тяжіння; тому можливо, що найяскравіші небесні тіла у Всесвіті виявляються з цієї причини невидимими". Однак маса такої зірки повинна була б у десятки мільйонів разів перевершувати сонячну. А оскільки подальші астрономічні вимірювання показали, що маси реальних зірок не дуже сильно відрізняються від сонячної, ідея Мітчела і Лапласа про чорні діри була забута.

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 уявлення про характер переходу від однієї інерціальної системи відліку до іншої потребують значного корегування.

У 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 спеціальної теорії відносності (СТВ), в якій роль закону перетворення інерціальних систем відліку остаточно перейшла від перетворень Галілея до перетворень Лоренца. Класична (галілеївсько-інваріантна) механіка була при цьому замінена на нову, Лоренц-інваріантну релятивістську механіку. У рамках останньої швидкість світла виявилася граничною швидкістю, яку може розвинути фізичне тіло, що радикально змінило значення чорних дір в 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 зі світловими та близькими до них 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).

Вдруге вчені "зіткнулися" з чорними дірами в 1916, коли німецький астроном Карл Шварцшильд отримав перше точне рішення рівнянь ЗТВ. Виявилося, що порожній простір навколо масивної крапки володіє особливістю на відстані rg від неї;с аме тому величину rg часто називають "шварцшильдівскиим радіусом", а відповідну поверхню (горизонт подій) - шварцшильдівською поверхнею. У наступні півстоліття зусиллями теоретиків були з'ясовані дивні особливості рішення Шварцшильда, але як реальний об'єкт дослідження чорні діри ще не розглядалися.

Правда, в 1930-і, після створення квантової механіки і відкриття нейтрона, фізики досліджували можливість формування компактних об'єктів (білих карликів і нейтронних зірок) як продуктів еволюції нормальних зірок. Оцінки показали, що після виснаження в надрах зірки ядерного палива, її ядро може стиснутися перетворитися на маленький і дуже щільний білий карлик або ж у ще більш щільну і зовсім крихітну нейтронну зірку.

У 1934 працювали в США європейські астрономи Фріц Цвіккі і Вальтер Бааде висунули гіпотезу - спалахи наднових представляють собою абсолютно особливий тип зоряних вибухів, викликаних катастрофічним стисненням ядра зірки. Так вперше народилася ідея про можливість спостерігати колапс зірки. Бааде і Цвіккі висловили припущення, що в результаті вибуху наднової утворюється надщільна вироджена зірка, що складається з нейтронів. Розрахунки показали, що такі об'єкти дійсно можуть народжуватися і бути стійкими, але лише при помірній початковій масі зірки. Але якщо маса зірки перевищує три маси Сонця, то вже ніщо не зможе зупинити її катастрофічного колапсу.

У 1939 американські фізики Роберт Оппенгеймер і Хартланд Снайдер обґрунтували висновок, що ядро масивної зірки має безупинно колапсувати в гранично малий об'єкт, властивості простору навколо якого (якщо він не обертається) описуються рішенням Шварцшильда. Іншими словами, ядро масивної зірки в кінці її еволюції має стрімко скорочуватися і йти під горизонт подій, стаючи чорною дірою. Але оскільки такий об'єкт (як казали тоді, "колапсар", або "застигла зірка") не випромінює електромагнітні хвилі, то астрономи розуміли, що виявити його в космосі буде неймовірно важко і тому довго не приступали до пошуку.

Оскільки ніякої носій інформації не здатний вийти з-під горизонту подій, внутрішня частина чорної діри причинно не пов'язана з рештою Всесвіту, що відбуваються всередині чорної діри фізичні процеси не можуть впливати на процеси поза нею. У той же час, речовина і випромінювання, падаючі зовні на чорну дірку, вільно проникають всередину через горизонт. Можна сказати, що чорна дірка все поглинає і нічого не випускає. З цієї причини і народився термін "чорна діра", запропонований в 1967 американським фізиком Джоном Арчібальдом Вілером.

2. Формування чорних дір

Найбільш очевидний шлях утворення чорної діри - колапс ядра масивної зірки. Поки в надрах зірки не виснажився запас ядерного палива, її рівновага підтримується за рахунок термоядерних реакцій (перетворення водню в гелій, потім у вуглець, і т.д., аж до заліза у найбільш масивних зірок). Тепло, що виділяється при цьому, компенсує втрату енергії, що йде від зірки з її випромінюванням і зоряним вітром. Термоядерні реакції підтримують високий тиск в надрах зірки, перешкоджаючи її стиску під дією власної гравітації. Проте з часом ядерне паливо виснажується і зірка починає стискатися.

Найбільш швидко стискається ядро зірки, при цьому воно сильно розігрівається (його гравітаційна енергія переходить у тепло) і нагріває навколишню його оболонку. У результаті зірка втрачає свої зовнішні шари у вигляді планетарної туманності, що повільно розширюється, або катастрофічно скинутої оболонки. А доля стискального ядра залежить від його маси. Розрахунки показують, що якщо маса ядра зірки не перевершує трьох мас Сонця, то вона "виграє битву з гравітацією": його стиснення буде зупинено тиском виродженої речовини, і зірка перетвориться на білий карлик або нейтронну зірку. Але якщо маса ядра зірки більше трьох сонячних, то вже ніщо не зможе зупинити його катастрофічний колапс, і воно швидко піде під горизонт подій, ставши чорною дірою. Як випливає з формули для rg, чорна діра з масою 3 сонячних має гравітаційний радіус 8,8 км.

Астрономічні спостереження добре узгоджуються з цими розрахунками: всі компоненти подвійних зоряних систем, що проявляють властивості чорних дірок (у 2005 їх відомо близько 20), мають маси від 4 до 16 мас Сонця. Теорія зоряної еволюції указує, що за 12 млрд. років існування нашої Галактики, яка містить близько 100 млрд. зірок, в результаті колапсу найбільш масивних з них повинно було утворитися декілька десятків мільйонів чорних дір. До того ж, чорні діри дуже великої маси (від мільйонів до мільярдів мас Сонця) можуть перебувати в ядрах великих галактик, в тому числі, і нашої. Про це свідчать астрономічні спостереження, хоча шляхи формування цих гігантських чорних дір не цілком ясні.

Якщо в нашу епоху висока щільність речовини, необхідна для народження чорної діри, може виникнути лише в стискальних ядрах масивних зірок, то в далекому минулому, відразу після Великого вибуху, з якого близько 14 млрд. років тому почалося розширення Всесвіту, висока щільність матерії була всюди. Тому невеликі флуктуації щільності в ту епоху могли приводити до народження чорних дір будь-якої маси, в тому числі і малої. Але найменші з них в силу квантових ефектів повинні були випаруватися, втративши свою масу у вигляді випромінювання і потоків частинок. "Первинні чорні діри" з масою більше 1012 кг могли зберегтися до наших днів. Найдрібніші з них, масою 1012 кг (як у невеликого астероїда), повинні мати розмір близько 10-15 м (як у протона або нейтрона).

Нарешті, існує гіпотетична можливість народження мікроскопічних чорних дір при взаємних зіткненнях швидких елементарних частинок. Таким є один із прогнозів теорії струн - одній з конкуруючих зараз фізичних теорій будови матерії. Теорія струн пророкує, що простір має більше трьох вимірів. Гравітація, на відміну від інших сил, повинна розповсюджуватися по всіх цих вимірів і тому істотно посилюватися на коротких відстанях. При потужному зіткненні двох частинок (наприклад, протонів) вони можуть стиснутися достатньо сильно, щоб народилася мікроскопічна чорна діра. Після цього вона майже миттєво руйнуватиметься ("випарується"), але спостереження за цим процесом представляє для фізики великий інтерес, оскільки, випаровуючись, дірка випускатиме всі існуючі в природі види часток. Якщо гіпотеза теорії струн вірна, то народження таких чорних дір може відбуватися при зіткненнях енергійних частинок космічних променів з атомами земної атмосфери, а також у найбільш потужних прискорювачах елементарних частинок.

3. Властивості чорних дір

Поблизу чорної дірки напруженість гравітаційного поля така велика, що фізичні процеси там можна описувати тільки за допомогою релятивістської теорії тяжіння. Згідно ЗТВ, простір і час викривляються гравітаційним полем масивних тіл, причому найбільше викривлення відбувається поблизу чорних дір. Коли фізики говорять про інтервали часу і простору, вони мають на увазі числа, лічені з будь-яких фізичних годин і лінійок. Наприклад, роль годин може грати молекула з певною частотою коливань, кількість яких між двома подіями можна називати "інтервалом часу".

Важливо, що гравітація діє на всі фізичні системи однаково: всі годинники показують, що час уповільнюється, а всі лінійки, що простір розтягується поблизу чорної діри. Це означає, що чорна діра викривляє навколо себе геометрію простору і часу. Далеко від чорної діри це викривлення мало, а поблизу таке велике, що промені світла можуть рухатися навколо неї по колу. Далеко від чорної діри її полі тяжіння в точності описується теорією Ньютона для тіла такої ж маси, але поблизу гравітація стає значно сильніше, ніж пророкує ньютонова теорія.

Якщо б можна було спостерігати в телескоп за зіркою у момент її перетворення на чорну дірку, то спочатку було б видно, як зірка все швидше і швидше стискається, але в міру наближення її поверхні до гравітаційного радіусу стиснення почне сповільнюватися, поки не зупиниться зовсім. При цьому світло, що приходить від зірки, буде слабшати й червоніти поки остаточно не потухне. Це відбувається тому, що, долаючи силу тяжіння, фотони втрачають енергію і їм потрібно усе більше часу, щоб дійти до нас. Коли поверхня зірки досягне гравітаційного радіуса, буде потрібний нескінченний час, щоб досягти будь-якого спостерігача, навіть розташованого порівняно близько до зірки (і при цьому фотони повністю втратять свою енергію). Отже, ми ніколи не дочекаємося цього моменту і, тим більше, не побачимо того, що відбувається із зіркою під горизонтом подій, але теоретично цей процес дослідити можна.

Розрахунок ідеалізованого сферичного колапсу показує, що за короткий час речовина під горизонтом подій стискається в точку, де досягаються нескінченно великі значення щільності і тяжіння. Таку точку називають "сингулярність". Більш того, математичний аналіз показує, що якщо виник горизонт подій, то навіть несферичний колапс приводить до сингулярності. Проте, все це вірно лише в тому випадку, якщо загальна теорія відносності застосовна аж до дуже малих просторових масштабів, в чому поки що немає впевненості. У мікросвіті діють квантові закони, а квантова теорія гравітації ще не створена. Ясно, що квантові ефекти не можуть зупинити стиснення зірки в чорну дірку, а ось запобігти появі сингулярності вони могли б.

Вивчаючи фундаментальні властивості матерії і простору-часу, фізики вважають дослідження чорних дір одним з найважливіших напрямів, оскільки поблизу чорних дір виявляються приховані властивості гравітації. Для поведінки речовини і випромінювання в слабких гравітаційних полях різні теорії тяжіння дають майже невиразні прогнози, проте в сильних полях, характерних для чорних дір, передбачення різних теорій істотно розходяться, що дає ключ до виявлення кращої серед них. У рамках найбільш популярної зараз теорії гравітації - Ейнштейна - властивості чорних дірок вивчені досить докладно. Ось деякі найважливіші з них:

1) Поблизу чорної дірки час тече повільніше, ніж далеко від неї. Якщо віддалений спостерігач кине в бік чорної діри запалений ліхтар, то побачить, як ліхтар падатиме все швидше і швидше, але потім, наближаючись до поверхні Шварцшильда, почне сповільнюватися, а його світло буде тьмяніти і червоніти (оскільки сповільниться темп коливання всіх його атомів і молекул). З точки зору далекого спостерігача ліхтар практично зупиниться і стане невидимий, так і не зумівши перетнути поверхню чорної діри. Але якби спостерігач сам стрибнув туди разом з ліхтарем, то він за короткий час перетнув б поверхню Шварцшильда і впав до центру чорної діри, будучи при цьому розірваний її потужними приливними гравітаційними силами, що виникають через різницю тяжіння на різних відстанях від центру.

2) Яким би складним не було початкове тіло, після його стиснення в чорну дірку зовнішній спостерігач може визначити тільки три його параметри: повну масу, момент імпульсу (пов'язаний з обертанням) і електричний заряд. Всі інші особливості тіла (форма, розподіл щільності, хімічний склад і т. д. ) в ході колапсу "стираються". Те, що для стороннього спостерігача структура чорної дірки виглядає надзвичайно простою, Джон Уілер висловив жартівливим твердженням: "Чорна діра не має волосся".

У процесі колапсу зірки в чорну дірку за малу частку секунди (по годиннику віддаленого спостерігача) всі її зовнішні особливості, пов'язані з вихідною неоднорідністю, випромінюються у вигляді гравітаційних і електромагнітних хвиль. Новоутворена стаціонарна чорна діра "забуває" всю інформацію про вихідну зірку, крім трьох величин: повної маси, моменту імпульсу (пов'язаного з обертанням) і електричного заряду. Вивчаючи чорну діру, вже не дізнатися, складалася вихідна зірка з речовини або антиречовини, була вона витягнутою або сплюсненою і т.п. У реальних астрофізичних умовах заряджена чорна діра буде притягувати до себе з міжзоряного середовища частки протилежного знаку, і її заряд швидко стане нульовим. Стаціонарний об'єкт, що залишився, буде або "шварцшильдовою чорною дірою", що не обертається і характеризується тільки масою, або "керровською чорною дірою", що обертається і характеризується масою і моментом імпульсу.

3) Якщо вихідне тіло оберталося, то навколо чорної діри зберігається "вихрове" гравітаційне поле, що захоплює всі сусідні тіла в обертальний рух навколо неї. Поле тяжіння чорної діри, що обертається, називають полем Керра (математик Рой Керр в 1963 знайшов рішення відповідних рівнянь). Цей ефект характерний не тільки для чорної діри, але для будь-якого тіла, що обертається, навіть для Землі. З цієї причини розміщений на штучному супутнику Землі гіроскоп, вільно обертається, відчуває повільну прецесію щодо далеких зірок. Поблизу Землі цей ефект ледь помітний, але поблизу чорної діри він виражений набагато сильніше: за швидкістю прецесії гіроскопа можна виміряти момент імпульсу чорної діри, хоча сама вона не видима.

Чим ближче ми підходимо до горизонту чорної діри, тим сильніше стає ефект захоплення "вихровим полем". Перш ніж досягти обрію, ми опинимося на поверхні, де воно стає настільки сильним, що жоден спостерігач не може залишатися нерухомим (тобто бути "статичним") щодо далеких зірок. На цій поверхні (званої межею статичності) і усередині неї всі об'єкти повинні рухатися по орбіті навколо чорної діри в тому ж напрямку, в якому обертається сама діра. Незалежно від того, яку потужність розвивають його реактивні двигуни, спостерігач усередині межі статичності ніколи не зможе зупинити свій обертальний рух відносно далеких зірок.

Межа статичності всюди лежить поза горизонту і стикається з ним лише в двох точках, там, де вони обидва перетинаються з віссю обертання чорної діри. Область простору-часу, розташована між горизонтом і межею статичності, називається ергосферою. Об'єкт, що потрапив в ергосферу, ще може вирватися назовні. Тому, хоча чорна діра "все з'їдає і нічого не відпускає", тим не менш, можливий обмін енергією між нею і зовнішнім простором. Наприклад, частки, що пролітають через ергосферу, або кванти можуть забирати енергію її обертання.

4) Всі речовини всередині горизонту подій чорної діри неодмінно падають до її центру і утворюють сингулярність з нескінченно великою щільністю. Англійський фізик Стівен Хоукінг визначає сингулярність як "місце, де руйнується класична концепція простору і часу так само, як і всі відомі закони фізики, оскільки всі вони формулюються на основі класичного простору-часу".

5) Крім цього С. Хоукінг відкрив можливість дуже повільного самовільного квантового "випаровування" чорних дірок. У 1974 він довів, що чорні діри (не тільки ті, що обертаються, але будь-які) можуть випускати речовину і випромінювання, однак помітно це буде лише в тому випадку, якщо маса самої діри відносно невелика. Потужне гравітаційне поле поблизу чорної діри має народжувати пари "частинка-античастинка". Одна з частинок кожної пари поглинається дірою, а друга випускається назовні. Наприклад, чорна діра з масою 1012 кг повинна вести себе як тіло з температурою 1011 К, випромінює дуже жорсткі гамма-кванти та частки. Ідея про "випаровуванні" чорних дір повністю суперечить класичному уявленню про них як про тіла, не здатні випромінювати.

4. Пошуки чорних дір

Розрахунки в рамках ЗТВ вказують лише на можливість існування чорних дір, але аж ніяк не доводять їх наявності в реальному світі, відкриття чорної діри стало б важливим кроком у розвитку фізики. Пошук ізольованих чорних дір у космосі неймовірно важкий: потрібно помітити маленький темний об'єкт на тлі космічної чорноти. Але є надія знайти чорну діру по її взаємодії з оточуючими астрономічними тілами, за її характерному впливу на них. Враховуючи найважливіші властивості чорних дір (масивність, компактність і невидимість) астрономи поступово виробили стратегію їх пошуку. Найпростіше виявити чорну діру за її гравітаційною взаємодією з навколишньою речовиною, наприклад, з близькими зірками. Спроби виявити невидимі масивні супутники в подвійних зірках не мали успіху. Але після запуску на орбіту рентгенівських телескопів з'ясувалося, що чорні діри активно проявляють себе в тісних подвійних системах, де вони відбирають речовину у сусідніх зірок і поглинають її, нагріваючи при цьому до температури в мільйони градусів і роблячи її на короткий час джерелом рентгенівського випромінювання.

Оскільки в подвійній системі чорна діра в парі з нормальною зіркою обертається навколо загального центру маси, використовуючи ефект Доплера, вдається виміряти швидкість зірки і визначити масу її невидимого компаньйона. Астрономи виявили вже кілька десятків подвійних систем, де маса невидимого компаньйона перевершує 3 маси Сонця і помітні характерні прояви активності речовини, що рухається навколо компактного об'єкта, наприклад, дуже швидкі коливання яскравості потоків гарячого газу, що стрімко обертається навколо невидимого тіла.

Особливо перспективною вважають рентгенівську подвійну зірку V404 Лебідь, маса невидимого компонента якої оцінюється не менше, ніж у 6 мас Сонця. Інші кандидати в чорні діри перебувають в подвійних системах Лебідь X-1, LMC X-3, V616 Єдинорог, QZ Лисичка, а також в рентгенівських нових Змієносець 1977, Муха 1981 і Скорпіон 1994. Майже всі вони розташовані в межах нашої Галактики, а система LMC X-3 - у близькій до нас галактиці Велика Магелланова Хмара.

Іншим напрямком пошуку чорних дір служить вивчення ядер галактик. У них скупчуються і ущільнюються величезні маси речовини, стикаються і зливаються зірки, тому там можуть формуватися надмасивні чорні діри, що перевершують за масою Сонце в мільйони разів. Вони притягують до себе навколишні зірки, створюючи в центрі галактики пік яскравості. Вони руйнують зірки, що близько підлітають до них, речовина яких утворює навколо чорної діри акреційний диск і частково викидається вздовж осі диска у вигляді швидких струменів і потоків частинок. Це не умоглядна теорія, а процеси, реально спостерігаються в ядрах деяких галактик і вказують на присутність у них чорних дірок з масами до декількох мільярдів мас Сонця. Останнім часом отримані досить переконливі докази того, що і в центрі нашої Галактики є чорна діра з масою близько 2,5 млн. мас Сонця.

Цілком ймовірно, що найпотужніші процеси енерговиділення у Всесвіті відбуваються за участю чорних дір. Саме їх вважають джерелом активності в ядрах квазарів - молодих масивних галактик. Саме їх народження, як вважають астрофізики, знаменується найпотужнішими вибухами у Всесвіті, що проявляються як гамма-сплески.

5. Термодинаміка і випаровування чорних дір

Уявлення про чорну діру як про абсолютно поглинаючий об'єкт були скориговані С. Хокінгом в 1975 році. Вивчаючи поведінку квантових полів поблизу чорної діри, він передбачив, що чорна діра обов'язково випромінює частки в зовнішній простір і тим самим втрачає масу. Цей ефект називається випромінюванням (випаровуванням) Хокінга. Спрощено кажучи, гравітаційне поле поляризує вакуум, в результаті чого можливе утворення не тільки віртуальних, а й реальних пар "частинка-античастинка". Одна з частинок, що опинилася трохи нижче горизонту подій, падає всередину чорної діри, а інша, яка виявилася трохи вище горизонту, летить, несучи енергію (тобто частину маси) чорної діри.

Склад випромінювання залежить від розміру чорної діри: для великих чорних дір це в основному фотони і нейтрони, а в спектрі легких чорних дір присутні і важкі частинки. Спектр хокінговского випромінювання для безмасових полів строго збігається з випромінюванням абсолютно чорного тіла.

На цій основі була побудована термодинаміка чорних дір, в тому числі введено ключове поняття ентропії чорної діри, яка виявилася пропорційною площі горизонту подій.

Швидкість випаровування чорної діри тим більше, чим менше її розміри. Випаровуванням чорних дір зоряних (і тим більше галактичних) масштабів можна знехтувати, однак для первинних і, особливо для квантових, чорних дір процеси випаровування стають центральними.

За рахунок випаровування всі чорні діри втрачають масу, і час їх життя виявляється кінцевим.

При цьому інтенсивність випаровування наростає лавиноподібно, і заключний етап еволюції носить характер вибуху, наприклад, чорна діра масою 1000 тонн випарується за час порядку 84 секунди, виділивши енергію, що дорівнює вибуху приблизно десяти мільйонів атомних бомб середньої потужності.

У той же час, великі чорні діри, температура яких нижче температури реліктового випромінювання Всесвіту (2,7 К), на сучасному етапі розвитку Всесвіту можуть тільки зростати, тому що проміння, яке випускається ними, має меншу енергію, ніж поглинається. Даний процес триватиме до тих пір, поки фотонний газ реліктового випромінювання не охолоне в результаті розширення Всесвіту.

Без квантової теорії гравітації неможливо описати заключний етап випаровування, коли чорні діри стають мікроскопічними (квантовими). Згідно з деякими теоріями, після випаровування повинен залишатися "недогарок" - мінімальна чорна діра Планка.

6. Падіння в чорну діру

Уявімо собі, як має виглядати падіння в шварцшильдівську чорну діру. Тіло, вільно падаюче під дією сил гравітації, знаходиться в стані невагомості. Падаюче тіло буде відчувати дію приливних сил, що розтягують тіло в радіальному напрямку і стискають - у тангенціальному. Величина цих сил зростає і прагне до нескінченності при. У деякий момент власного часу тіло перетне горизонт подій. З точки зору спостерігача, що падає разом з тілом, цей момент нічим не виділено, проте повернення тепер немає. Тіло виявляється в горловині (її радіус в точці, де знаходиться тіло і є), стискається настільки швидко, що відлетіти з неї до моменту остаточного схлопування (це і є сингулярність) вже не можна, навіть рухаючись зі швидкістю світла.

Розглянемо тепер процес падіння тіла в чорну діру з точки зору віддаленого спостерігача. Нехай, наприклад, тіло буде світиться і, крім того, буде посилати сигнали йому з певною частотою. Спочатку віддалений спостерігач буде бачити, що тіло, перебуваючи в процесі вільного падіння, поступово розганяється під дією сил тяжіння у напрямку до центру. Колір тіла не змінюється, частота сигналів практично постійна. Проте, коли тіло почне наближатися до горизонту подій, фотони, що йдуть від тіла, будуть відчувати усе більше і більше гравітаційне червоне зміщення. Крім того, через гравітаційне поля всі фізичні процеси з точки зору віддаленого спостерігача будуть йти все повільніше і повільніше: годинник, закріплений на радіальній координаті r без обертання, буде йти в нескінченну кулькість разів повільніше. Буде здаватися, що тіло у надзвичайно сплющеному вигляді буде сповільнюватися, наближаючись до горизонту подій і, врешті-решт, практично зупиниться. Частота сигналу буде різко падати. Довжина хвилі, що випускається тілом світла, буде стрімко рости, так що світло швидко перетвориться на радіохвилі і далі в низькочастотні електромагнітні коливання, зафіксувати які вже буде неможливо. Перетину тілом горизонту подій спостерігач не побачить ніколи, і в цьому сенсі падіння в чорну діру буде тривати нескінченно довго. Є, однак, момент, починаючи з якого вплинути на падаюче тіло віддалений спостерігач вже не зможе. Промінь світла, посланий слідом за цим тілом, його або взагалі ніколи не наздожене, або наздожене вже за горизонтом. Крім того, відстань між тілом і горизонтом подій, а також "товщина" сплющеного (з точки зору стороннього спостерігача) тіла досить швидко досягнуть планковської довжини і (з математичної точки зору) будуть зменшуватися і далі. Для реального фізичного спостерігача (що проводить вимірювання з планковською похибкою) це рівнозначно тому, що маса чорної діри збільшиться на величину маси падаючого тіла, а значить радіус горизонту подій зросте, і падаюче тіло виявиться "всередині" горизонту подій за кінцевий час.

Аналогічно буде виглядати для спостерігача і процес гравітаційного колапсу. Спочатку речовина кинеться до центру, але поблизу горизонту подій стане різко сповільнюватися, випромінювання піде у радіодіапазон, і в результаті віддалений спостерігач побачить, що зірка згасла.

7. Види чорних дір

А) Надмасивні чорні діри. Дуже масивні чорні діри, за сучасними уявленнями, утворюють ядра більшості галактик. У їх число входить і масивна чорна діра в ядрі нашої галактики - Стрілець A.

В даний час існування чорних дір зоряних і галактичних масштабів вважається більшістю вчених доведеним астрономічними спостереженнями.

Американські астрономи встановили, що маси надмасивних чорних дір можуть бути значно недооцінені. Дослідники встановили, що для того, щоб зірки рухалися в галактиці М87 (яка розташована на відстані 50 мільйонів світлових років від Землі) так, як це спостерігається зараз, маса центральної чорної дірки повинна бути як мінімум 6,4 мільярда сонячних мас, тобто в два рази більше від нинішніх оцінок ядра М87, які складають 3 млрд. сонячних мас.

Б) Первинні чорні діри .Первинні чорні діри в даний час носять статус гіпотези. Якщо в початкові моменти життя Всесвіту існували достатні величини відхилення від однорідності гравітаційного поля і щільності матерії, то з них шляхом колапсу могли утворюватися чорні діри. При цьому їх маса не обмежена знизу, як при зоряному колапсі - їх маса, ймовірно, могла б бути досить малою. Виявлення первинних чорних дір становить особливий інтерес у зв'язку з можливостями вивчення явища випаровування чорних дір.

В) Квантові чорні діри. Передбачається, що в результаті ядерних реакцій можуть виникати стійкі мікроскопічні чорні діри, так звані квантові чорні діри. Для математичного опису таких об'єктів необхідна квантова теорія гравітації. Однак із загальних міркувань досить імовірно, що спектр мас чорних дірок дискретний і існує мінімальна чорна діра - чорна діра Планка. Її маса порядку 10-15 м, радіус - 10-35 м. Комптонівська довжина хвилі планковської чорної діри по порядку величини дорівнює її гравітаційному радіусу.

Висновок

Таким чином, всі "елементарні об'єкти" можна розділити на елементарні частинки (їх довжина хвилі більше їх гравітаційного радіуса) і чорні діри (довжина хвилі менше гравітаційного радіуса). Планківська чорна діра є прикордонним об'єктом, для неї можна зустріти назву "максімон", яке вказує на те, що це найважча з можливих елементарних частинок. Інші іноді вживають для її позначення термін - "планкеон".

Навіть якщо квантові чорні діри існують, час їх існування вкрай малий, що робить їх безпосереднє виявлення дуже проблематичним.

Останнім часом запропоновано експерименти з метою виявлення свідчень появи чорних дір в ядерних реакціях. Однак для безпосереднього синтезу чорної діри у прискорювачі необхідна недосяжна на сьогодні енергія 1026 еВ. Мабуть, в реакціях надвисоких енергій можуть виникати віртуальні проміжні чорні діри.

Список літератури

1. Карпенків С.Х. Концепції сучасного природознавства, М.: Вищ. школа 2003р.

2. http://nrc.edu.ru/est/pos/24.html

3. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/astronomiya/

4. http://ru.wikipedia.rg/