Черная дыра проект: Проект «Черные дыры и как они образуются»

Проект «Черные дыры и как они образуются»

Автор работы: 

Кистенева Екатерина Николаевна

Руководитель проекта: 

Кузнецова Галина Васильевна

Учреждение: 

МКОУ Качугская СОШ №1

В процессе работы над исследовательским проектом по астрономии на тему «Черные дыры и как они образуются» ученицей 10 класса была достигнута поставленная цель, узнать как можно больше о черных дырах, а также выяснить признаки, по которым можно обнаружить черную дыру в космосе.

Подробнее о работе:

В индивидуальной исследовательской работе по астрономии «Черные дыры и как они образуются» приводятся теоретические сведения и дается определение понятия «черная дыра» в астрономии, рассматривается история открытия и исследования черных дыр, рассматриваются теоретические сведения о свойствах черных дыр, а также подымается вопрос слияния черных дыр в космосе, выясняются причины и последствия этого.

В учебном исследовательском проекте по физике (астрономии) на тему «Черные дыры и как они образуются» учащейся 10 класса школы было проведено исследование, по результатам которого она ознакомилась с теорией и расчетами Эйнштейна в области черных дыр, выяснила какие существуют трудности в обнаружении черных дыр и проблемы в наблюдении за ними, узнала, какое применение ученые нашли для черных дыр в космическом пространстве.

Оглавление

Введение
1. Что такое черная дыра и как она образуется.
2. Свойства черных дыр.
3. Слияние черных дыр.
4. Теория, расчеты Эйнштейна.
5. Обнаружение черных дыр.
Заключение
Список литературы

Введение

Каждый из нас хоть раз в своей жизни сталкивался с понятием «черная дыра». В фантастических фильмах, книгах, телепередачах встречался с образом черной дыры, как одного из самых страшных и загадочных явлений нашей Вселенной.

Однако, создатели кинофильмов и писатели зачастую утрируют и искажают физический смысл явления, заставляя работать образ «поглощающего гиганта» на развитие сюжета. Многие люди настолько верят всему происходящему в фильмах и псевдонаучных телепередачах, что искаженное представление составляет для них ложную картину мира.

Распространенный миф о черных дырах говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя. Так ли это? Как они образуются?Вот на эти вопросы я и попытаюсь ответить в своей работе, основываясь на статьях ученых.

Таким образом, цель моей исследовательской работы (проекта) по астрономии «Черные дыры и как они образуются» – выяснить, что представляют собой черные дыры и как они образуются.

Что такое черная дыра и как она образуется

Чёрная дыра — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом.

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

  • Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды на конечном этапе её эволюции.
  • Коллапс центральной части галактики или галактического газа. Современные представления помещают огромную чёрную дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик. Например в центре нашей Галактики находится чёрная дыра Стрелец A* массой, вокруг которой вращается меньшая чёрная дыра.
  • Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.
  • Возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях высоких энергий — квантовые чёрные дыры.

Свойства черных дыр

У черных дыр очень интересные свойства. После коллапса звезды в черную дыру ее свойства будут зависеть только от двух параметров: массы и углового момента вращения. То есть, черные дыры представляют собой универсальные объекты, то есть, их свойства не зависят от свойств вещества, из которого они образованы.

При любом химическом составе вещества исходной звезды свойства черной дыры будут одними и теми же. То есть, черные дыры подчиняются только законам теории гравитации — и никаким иным.

Одно из самых любопытных свойств черных дыр заключается в следующем: предположим, вы наблюдаете процесс, в котором участвует черная дыра. Например, можно рассмотреть процесс столкновения двух черных дыр. В результате из двух черных дыр образуется одна более массивная.

Этот процесс может сопровождаться излучением гравитационных волн, и уже построены детекторы с целью их обнаружения и измерения. Процесс этот теоретически просчитать весьма непросто, для этого нужно решить сложную систему дифференциальных уравнений. Однако имеются и простые теоретические результаты.

Площадь сферы Шварцшильда получившейся черной дыры всегда больше суммы площадей поверхностей двух исходных черных дыр. То есть, при слиянии черных дыр площадь их поверхности растет быстрее массы. Это так называемая «теорема площадей», она была доказана Стивеном Хокингом (Steven Hawking) в 1970 году.

Слияние черных дыр

Объединение (слияние) двух черных дыр – одно из самых странных и загадочных процессов, которые должны происходить во Вселенной и которые современная астрономия жаждет увидеть непосредственно в реальности. Астрономы ранее высказывали предположение, что при столкновении галактик черные дыры, находящиеся в их центрах, могут сливаться. Компьютерные модели подтверждают, что такие колоссальные события действительно происходят.

Некоторые галактики выбрасывают потоки энергии в двух противоположных направлениях вдоль оси вращения. Предполагается, что эти потоки возникают под воздействием черных дыр, которые нельзя увидеть непосредственно. Исследуя галактики с помощью радиотелескопа, ученые обнаружили, что у 7% галактик наблюдается внезапный сдвиг в направлении энергетических потоков. Изменение направления потоков свидетельствует о нарушении равновесия в галактической системе.

Ученые пока не могут объяснить, что притягивает черные дыры друг к другу после того, как они лишаются своего окружения. Но когда расстояние между ними уменьшается до размера солнечной системы, черные дыры начинают испускать энергию в виде гравитационных волн. Затем они начинают неуклонно скользить навстречу, все быстрее и быстрее закручиваясь в спираль. Финальное слияние вызывает сильнейший выброс гравитационной энергии.

Исследование галактик, испускающих гравитационные потоки, позволяет предположить, что подобные гигантские столкновения происходят в окружающей нас вселенной примерно раз в год.

Теория, расчеты Эйнштейна

Рассмотрим всемирную теорию тяготения Ньютона. Силу гравитационного притяжения мы испытываем прямо здесь, на поверхности Земли. Если подбросить камень, он упадет под действием земного притяжения. А можно ли подбросить камень с такой скоростью, чтобы он на Землю не вернулся? Можно. Если запустить камень со скоростью выше второй космической скорости (около 11 км/с), он покинет гравитационное поле Земли.

Эта «скорость выхода» зависит от массы и радиуса земного шара. Если бы Земля при ее нынешнем радиусе была массивнее или имела бы меньший радиус при ее нынешней массе, скорость выхода была бы выше.

Возникает вопрос: что будет, если плотность и масса космического тела настолько велики, что скорость выхода из его гравитационного поля выше скорости света?

Ответ: такое тело будет представляться внешнему наблюдателю абсолютно черным, поскольку свет его покинуть не может. Например, звезда с радиусом меньше, чем

где GN — постоянная Ньютона, а с — скорость света в вакууме, будет выглядеть абсолютно черной.

Другими словами, чтобы тело, масса которого равна массе Земли, превратилось в черную дыру, оно должно иметь радиус меньше сантиметра. Тело с массой Солнца должно сжаться до диаметра меньше километра. На это еще в конце XVIII века указал Пьер-Симон Лаплас, но тогда никто не придал этому особого значения.

С появлением в 1905 году специальной теории относительности появилось понимание того факта, что скорость света в вакууме — не рядовая скорость. Это космический предел: ничто не может двигаться быстрее света. Теория относительности Эйнштейна также учит нас, что пространство и время тесно взаимосвязаны.

Для наблюдателей, движущихся друг относительно друга, время течет с разной скоростью. Предположим, вы стоите на улице и смотрите на проезжающие машины. Для водителей машин время течет чуть медленнее, чем для вас, и несколько иначе. Предположим, вы видите, как два светофора в разных концах улицы одновременно переключаются на красный. Для водителей же они переключатся не одновременно.

Это получается после того, как мы учтем время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние от светофора до наблюдателей. И для вас, и для водителей свет движется с одинаковой скоростью, но время для них течет медленнее.

То есть, время относительно, а скорость света абсолютна. Это противоречит нашим интуитивным представлениям о мире, так как эффект этот на нас практически не сказывается, поскольку мы обычно путешествуем на скоростях, которые очень далеки от скорости света, а время измеряем не с абсолютной точностью. Однако в ускорителях элементарных частиц этот эффект наблюдается постоянно. При скоростях, близких к скорости света, частицы живут значительно дольше.

Пространство и время объединяются в единую концепцию пространства-времени. Время воспринимается по-разному двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга. Однако оба наблюдателя воспринимают одно и то же пространство-время. Имеются точные формулы, позволяющие нам связать наблюдения этих двух наблюдателей.

Возвращаясь к гравитации, необходимо отметить ее важное свойство, которое открыл еще Галилей: все тела падают одинаково, если не учитывать сопротивление воздуха. В безвоздушном пространстве пушинка и камень упадут на землю одновременно. В случае действия других сил это не так.

В электрическом поле заряженная частица будет двигаться иначе в случае изменения ее массы или заряда. В теории всемирного тяготения Ньютона причина, по которой все тела движутся под воздействием гравитационных сил одинаково, сводится к тому, что сила гравитационного притяжения пропорциональна массе тела. Иногда это называют «принципом эквивалентности».

Эйнштейн осознал, что теория Ньютона противоречит теории относительности, поскольку согласно ньютоновской теории гравитационное взаимодействие между телами передается мгновенно. В 1915 году Эйнштейн решил эту проблему таким образом, что из этого решения естественным путем вытекает и принцип эквивалентности. Свою новую концепцию Эйнштейн назвал общей теорией относительности.

Он предположил, что гравитация возникает вследствие искривления пространства-времени. В искривленном пространстве-времени частицы движутся по кратчайшим траекториям. Изначально параллельные линии таких траекторий в искривленном пространстве-времени могут сближаться. Например, два земных меридиана на пересечении с экватором параллельны, однако по мере удаления от него они сближаются и, в конечном итоге, пересекаются в точке Северного полюса.

Конфигурация пространства-времени зависит от материи, перемещающейся в нем. Общая теория относительности подразумевает, что темп времени зависит от гравитационного поля. Следовательно, два жильца одного дома, обитающие на первом и последнем этажах, воспринимают ход времени по-разному.

Для обитателя первого этажа время течет чуть медленнее, чем для обитателя верхнего этажа. Для земных зданий этот эффект пренебрежимо мал и составляет порядка 10–15 секунды за секунду. Главное это то, что массивные тела стягивают пространство-время на себя. В частности, вблизи массивных объектов время течет медленнее, чем на удалении от них.

Физики всегда стремятся сначала разобрать простейшие ситуации. Поэтому в 1916 году, вскоре после открытия общей теории относительности, молодой немецкий физик Карл Шварцшильд нашел простейшее сферически симметричное решение уравнений Эйнштейна. Это решения описывает частный случай искривления геометрии пространства-времени под воздействием точечной массы. Однако, вместо геометрии, давайте обратим внимание на другой их аспект: темп хода стационарных часов.

Часы на поверхности Солнца идут на одну миллионную медленнее, чем удаленные от Солнца часы. Часы на поверхности нейтронной звезды идут со скоростью 70% от скорости часов вдали от нее. Здесь налицо уже весьма значительный эффект расхождения во времени. Так вот, решение Шварцшильда подразумевает, что часы в «центре» точечной массы вообще остановились бы.

Поначалу физики сочли это «не физическим» парадоксом, следствием слишком упрощенного анализа. Дальнейшие расчеты показали, однако, что речь в решении Шварцшильда идет даже не о некоем условном «центре», а о целой идеальной сфере. Путешественник, пересекающий границы этой сферы и попадающий внутрь нее, не испытывает ничего странного или необычного — для него время течет по-прежнему.

А вот для сторонних наблюдателей за пределами этой сферы, принимающих сигналы от падающего внутрь сферы путешественника, любые сигналы от него будут неуклонно замедляться, пока не исчезнут, как таковые, при пересечении им поверхности сферы. Поверхность, на которой стационарные часы замедляются до нуля, принято называть сферой Шварцшильда или «горизонтом». Возврата из-за горизонта нет.

Наблюдатель, пересекший его и попавший внутрь сферы, обратно не выберется и будет неизбежно поглощен сингулярностью в ее центре. «Сингулярность» — это область сверхвысокого искривления пространства-времени, и путешественник в ней попросту исчезнет и будет раздавлен огромной гравитационной силой. Выясняется, что размер черной дыры согласно теории Эйнштейна описывается все той же формулой, предложенной еще Лапласом в рамках механики Ньютона, однако ее физическая интерпретация в корне меняется.

Обнаружение черной дыры

Проблем в исследовании и наблюдении за черными дырами довольно много, однако главная трудность состоит в их обнаружении. Свет не может преодолеть их гравитацию, а это значит, что объект с такой колоссальной массой остается невидим! Так что даже если бы самый мощный телескоп современности — «Хаббл» — «увидел» сверх массивную черную дыру, понять, что она действительно там есть, сможет только астрофизик. Как правило, черные дыры обнаруживают себя через искажение орбит звезд, расположенных вокруг.

Также они имеют рентгеновское и гамма-излучение (это происходит из-за потоков водорода, самого распространенного вещества в нашей Вселенной), которые, прежде чем исчезнуть в черных дырах, нагреваются до температуры в несколько миллионов градусов. Еще один способ — узнать массу, а затем объем объекта и сравнить его с гравитационным радиусом. Этот метод считается единственным достоверным. Узнать, является ли объект черной дырой, помогает ученым и соотношение его массы и светимости, скорость волновых источников и скорость вращения газа.

Применение черных дыр

Учеными доказано, что не исключена возможность в будущем использовать черные дыры как источник энергии. Излучают они так называемое «излучение Хокинга», при котором теряется энергия, и, с течением времени вследствие этого и массу. Для черных дыр больших размеров излучаемое количество энергии является меньшим, но, маленькие черные дыры смогут за достаточно короткий промежуток времени превращать свою массу в большое, и даже, можно сказать, большое количество энергии.

Ученые Свон Вестморланд и Луи Крэйн попытались выяснить, что необходимо для создания искусственной маленькой черной дыры, для того чтобы получить возможность использовать ее энергию. Они выдвинули предположение, что существует т.н. «золотая середина» для создания искусственных дыр, которые будут очень маленькими для возможности создавать большое количество энергии, и в то же время настолько большими, для того чтобы они не смогли отдать всю свою энергию сразу. Исходя из расчетов ученых, масса идеальной искусственной дыры должна составлять примерно миллион метрических тонн, при размерах равных примерно 0,001 протону.

Одной из самых интересных тем в современной научной фантастике является концепт использования черных дыр в качестве порталов в другую вселенную, время или измерение. Многие астрофизики утверждают, что в настоящих условиях такое попросту невозможно. Однако группа исследователей из Университета штата Массачусетс в Дортмунде (США) считает, что эта фантазия на самом деле не так уж и далека от реальности.

Заключение

Из вышесказанного в проекте «Черные дыры и как они образуются» можно сделать вывод о том, что черная дыра — это тот объект Вселенной, который окончательно еще не изучен. Черные дыры, несомненно, самые загадочные объекты в космосе. Их причудливые свойства могут бросить вызов законам физики Вселенной и даже природе существующей действительности.

В рамках этой исследовательской работы (проекта) на тему «Черные дыры и как они образуются» я поняла, что черные дыры образуются из ядер супер массивных звезд, которые можно охарактеризовать как область пространства, где огромная масса сосредоточена в пустоте, и ничего, даже свет не может там избежать гравитационного притяжения. Эта та область пространства, где вторая космическая скорость превышает скорость света. И чем массивнее объект движения, тем быстрее он должен двигаться, чтобы избавиться от силы своей тяжести.

«Распространенный миф о черных дырах говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя» — говорилось в ведении данной работы. Но, это не так. Они будут всасывать материю, которая находится на определенном расстоянии, а в остальном они действуют не иначе, чем массивные звезды.

Список литературы

  1. Интернет
  2. Стивен Хокинг книга «Черные дыры и молодые вселенные»
  3. Стивен Хокинг книга «Краткая история времени: От Большого Взрыва до черных дыр»

Если страница Вам понравилась, поделитесь в социальных сетях:

Исследовательская работа на тему «Черные дыры»

Муниципальное
бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя
образовательная школа № 9»

 

 

 

 

 

Черные
дыры и как они образуются

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор:
Булдаков Владислав,

ученик
8Г класса

Руководитель:
Федотова Татьяна

 Владимировна,
учитель физики

 

 

 

2015,г.
Чита

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3

Глава 1. Что такое
черная дыра и как она образуется…………………..4

Глава 2. Свойства
черных дыр…………………………………………….7

Глава 3. Теория,расчеты
Эйнштейна……………………………………..8

Глава 4.
Обнаружение черных дыр………………………………………12

Заключение…………………………………………………………………14

Список литературы
и источников………………………………………….15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Черные дыры (рис. 1)- один из самых необыкновенных объектов,
предсказываемых общей теорией относительности Эйнштейна.

Рис. 1 – Черная дыра

У черных дыр интересная
история, поскольку они преподнесли теоретикам немало сюрпризов, приведших к
лучшему пониманию природы пространства-времени.Самой большой черной дырой во Вселенной является черная дыра,
расположенная в центре галактики NGG 1277 в созвездии Персея, находящаяся на
расстоянии 228 миллионов световых лет от Земли. Черные дыры настолько массивны,
что их вторая космическая скорость быстрее, чем скорость света. Распространенный
миф о черных дырах говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя.
Так ли это? Как они образуются?Вот  на эти вопросы я и попытаюсь ответить в
совей работе, основываясь на статьях ученых.

Таким
образом,  цель моей работы – выяснить, что представляют собой
черные дыры и как они образуются.

Для
достижения поставленной цели  необходимо выполнить следующие задачи:

1.     Рассмотреть 
гипотезы образования черных дыр.

2.     Рассмотреть
свойства черных дыр.

Глава
1. Что такое черная дыра и как она образуется

Чёрная дыра -область в пространстве-времени, гравитационное
притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты,
движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой
области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным
радиусом (рис. 2).

Рис. 2 – Строение черной дыры

В конце
жизни звезда может начать сжиматься к центру за счет потери внутреннего
давления. При этом перейдя определенную границу — радиус Шварцшильда, ее
плотность станет настолько велика, что она продолжит сжатие и его уже ничего не
сможет остановить. В результате получается объект с огромной массой и
плотностью т. е. черная дыра. Называется «черной», т. к. вторая
космическая скорость у поверхности превышает скорость света.

Черные дыры
могут образовываться в результате астрофизических процессов, когда у звезд с
массой, на порядок превышающей массу Солнца, кончается термоядерное топливо, и
они обрушиваются внутрь себя под действием гравитационных сил. Имеется
достаточно данных наблюдений, свидетельствующих о реальности существования
таких черных дыр во Вселенной.

 

 

 

 

 

 

 

 


cho

 

 

 

 

Рис. 3 – Массивная черная дыра поглощает звезду

С
астрофизической точки зрения, обнаруженные черные дыры подразделяются на две
категории:

первый
тип — это черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса массивных
звезд и обладающие соответствующей массой. Поскольку черные дыры кажутся нам
реально черными, наблюдать их крайне сложно. Если посчастливится, мы можем
увидеть лишь шлейф газа, затягиваемого в черную дыру. Разгоняясь при падении,
газ разогревается и испускает характерное излучение, которое мы только и можем
обнаружить. Источником газа при этом является другая звезда, образующая парную
систему с черной дырой и обращающаяся вместе с ней вокруг центра масс двойной
звездной системы. Иными словами, сначала мы имели обычную двойную звезду, затем
одна из звезд в результате гравитационного коллапса превратилась в черную дыру.
После этого черная дыра начинает засасывать газ с поверхности горячей звезды.

второй
тип — это гораздо более массивные черные дыры в центрах галактик. Их масса
превышает массу Солнца в миллиарды раз. Опять же, падая на такие черные дыры,
вещество разогревается и испускает характерное излучение, которое со временем
доходит до Земли, его-то мы и можем обнаружить. Предполагается, что все крупные
галактики, включая нашу, имеют в центре свою черную дыру.

Согласно теории Эйнштейна
черная дыра представляет собой бездонный провал в пространстве-времени, падение
в который необратимо. Что упало, то пропало в черной дыре навеки.

Рис. 3–Гравитационные воронки (искривление пространства-времени)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2.
Свойства черных дыр

У черных дыр
очень интересные свойства. После коллапса звезды в черную дыру ее свойства
будут зависеть только от двух параметров: массы и углового момента вращения. То
есть, черные дыры представляют собой универсальные объекты, то есть, их
свойства не зависят от свойств вещества, из которого они образованы. При любом
химическом составе вещества исходной звезды свойства черной дыры будут одними и
теми же. То есть, черные дыры подчиняются только законам теории
гравитации — и никаким иным.

Другое
любопытное свойство черных дыр заключается в следующем: предположим, вы
наблюдаете процесс, в котором участвует черная дыра. Например, можно
рассмотреть процесс столкновения двух черных дыр. В результате из двух черных
дыр образуется одна более массивная. Этот процесс может сопровождаться
излучением гравитационных волн, и уже построены детекторы с целью их обнаружения
и измерения. Процесс этот теоретически просчитать весьма непросто, для этого
нужно решить сложную систему дифференциальных уравнений. Однако имеются и
простые теоретические результаты. Площадь сферы Шварцшильда получившейся черной
дыры всегда больше суммы площадей поверхностей двух исходных черных дыр. То
есть, при слиянии черных дыр площадь их поверхности растет быстрее массы. Это
так называемая «теорема площадей», она была доказана Стивеном Хокингом
(StevenHawking) в 1970 году.

 

 

 

 

 

 

Глава
3. Теория, расчеты Эйнштейна

Рассмотрим
всемирную теорию тяготения Ньютона. Силу гравитационного притяжения мы испытываем
прямо здесь, на поверхности Земли. Если подбросить камень, он упадет под
действием земного притяжения. А можно ли подбросить камень с такой скоростью,
чтобы он на Землю не вернулся? Можно. Если запустить камень со скоростью выше
второй космической скорости (около 11 км/с), он покинет гравитационное
поле Земли. Эта «скорость выхода» зависит от массы и радиуса земного шара. Если
бы Земля при ее нынешнем радиусе была массивнее или имела бы меньший радиус при
ее нынешней массе, скорость выхода была бы выше.

Возникает
вопрос: что будет, если плотность и масса космического тела настолько велики,
что скорость выхода из его гравитационного поля выше скорости света?

Ответ: такое
тело будет представляться внешнему наблюдателю абсолютно черным, поскольку свет
его покинуть не может. Например, звезда с радиусом меньше, чем

где GN —
постоянная Ньютона, а с — скорость света в вакууме, будет
выглядеть абсолютно черной.

Другими
словами, чтобы тело, масса которого равна массе Земли, превратилось в черную
дыру, оно должно иметь радиус меньше сантиметра. Тело с массой Солнца должно
сжаться до диаметра меньше километра. На это еще в конце XVIII века указал
Пьер-Симон Лаплас, но тогда никто не придал этому особого значения.

С появлением
в 1905 году специальной теории относительности появилось понимание того
факта, что скорость света в вакууме — не рядовая скорость. Это космический
предел: ничто не может двигаться быстрее света. Теория относительности
Эйнштейна также учит нас, что пространство и время тесно взаимосвязаны. Для
наблюдателей, движущихся друг относительно друга, время течет с разной
скоростью. Предположим, вы стоите на улице и смотрите на проезжающие машины.
Для водителей машин время течет чуть медленнее, чем для вас, и несколько иначе.
Предположим, вы видите, как два светофора в разных концах улицы одновременно
переключаются на красный. Для водителей же они переключатся не одновременно.
Это получается после того, как мы учтем время, которое требуется свету, чтобы
пройти расстояние от светофора до наблюдателей. И для вас, и для водителей свет
движется с одинаковой скоростью, но время для них течет медленнее. То есть,
время относительно, а скорость света абсолютна. Это противоречит нашим
интуитивным представлениям о мире, так как эффект этот на нас практически не
сказывается, поскольку мы обычно путешествуем на скоростях, которые очень
далеки от скорости света, а время измеряем не с абсолютной точностью. Однако в
ускорителях элементарных частиц этот эффект наблюдается постоянно. При
скоростях, близких к скорости света, частицы живут значительно дольше.

Пространство и время
объединяются в единую концепцию пространства-времени. Время воспринимается
по-разному двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга. Однако оба
наблюдателя воспринимают одно и то же пространство-время. Имеются точные
формулы, позволяющие нам связать наблюдения этих двух наблюдателей.

Возвращаясь к
гравитации, необходимо отметить ее важное свойство, которое открыл еще Галилей:
все тела падают одинаково, если не учитывать сопротивление воздуха. В
безвоздушном пространстве пушинка и камень упадут на землю одновременно. В
случае действия других сил это не так. В электрическом поле заряженная частица
будет двигаться иначе в случае изменения ее массы или заряда. В теории
всемирного тяготения Ньютона причина, по которой все тела движутся под
воздействием гравитационных сил одинаково, сводится к тому, что сила
гравитационного притяжения пропорциональна массе тела. Иногда это называют
«принципом эквивалентности».

Эйнштейн
осознал, что теория Ньютона противоречит теории относительности, поскольку
согласно ньютоновской теории гравитационное взаимодействие между телами
передается мгновенно. В 1915 году Эйнштейн решил эту проблему таким
образом, что из этого решения естественным путем вытекает и принцип
эквивалентности. Свою новую концепцию Эйнштейн назвал общей теорией
относительности. Он предположил, что гравитация возникает вследствие
искривления пространства-времени. В искривленном пространстве-времени частицы
движутся по кратчайшим траекториям. Изначально параллельные линии таких
траекторий в искривленном пространстве-времени могут сближаться. Например, два
земных меридиана на пересечении с экватором параллельны, однако по мере
удаления от него они сближаются и, в конечном итоге, пересекаются в точке
Северного полюса. Конфигурация пространства-времени зависит от материи,
перемещающейся в нем. Общая теория относительности подразумевает, что темп
времени зависит от гравитационного поля. Следовательно, два жильца одного дома,
обитающие на первом и последнем этажах, воспринимают ход времени по-разному.
Для обитателя первого этажа время течет чуть медленнее, чем для обитателя
верхнего этажа. Для земных зданий этот эффект пренебрежимо мал и составляет
порядка 10–15 секунды за секунду. Главное  это то, что
массивные тела стягивают пространство-время на себя. В частности, вблизи
массивных объектов время течет медленнее, чем на удалении от них.

Физики всегда
стремятся сначала разобрать простейшие ситуации. Поэтому в 1916 году, вскоре
после открытия общей теории относительности, молодой немецкий физик Карл
Шварцшильд нашел простейшее сферически симметричное решение уравнений
Эйнштейна. Это решения описывает частный случай искривления геометрии
пространства-времени под воздействием точечной массы. Однако, вместо геометрии,
давайте обратим внимание на другой их аспект: темп хода стационарных часов.
Часы на поверхности Солнца идут на одну миллионную медленнее, чем удаленные от
Солнца часы. Часы на поверхности нейтронной звезды идут со скоростью 70% от
скорости часов вдали от нее. Здесь налицо уже весьма значительный эффект
расхождения во времени. Так вот, решение Шварцшильда подразумевает, что часы в
«центре» точечной массы вообще остановились бы. Поначалу физики сочли это
«нефизическим» парадоксом, следствием слишком упрощенного анализа.Дальнейшие
расчеты показали, однако, что речь в решении Шварцшильда идет даже не о некоем
условном «центре», а о целой идеальной сфере. Путешественник, пересекающий
границы этой сферы и попадающий внутрь нее, не испытывает ничего странного или
необычного — для него время течет по-прежнему. А вот для сторонних
наблюдателей за пределами этой сферы, принимающих сигналы от падающего внутрь
сферы путешественника, любые сигналы от него будут неуклонно замедляться, пока
не исчезнут, как таковые, при пересечении им поверхности сферы. Поверхность, на
которой стационарные часы замедляются до нуля, принято называть сферой
Шварцшильда или «горизонтом». Возврата из-за горизонта нет. Наблюдатель,
пересекший его и попавший внутрь сферы, обратно не выберется и будет неизбежно
поглощен сингулярностью в ее центре. «Сингулярность» — это область
сверхвысокого искривления пространства-времени, и путешественник в ней попросту
исчезнет и будет раздавлен огромной гравитационной силой. Выясняется, что
размер черной дыры согласно теории Эйнштейна описывается все той же формулой,
предложенной еще Лапласом в рамках механики Ньютона, однако ее физическая
интерпретация в корне меняется.

 

 

 

 

Глава
4. Обнаружение черных дыр

Поскольку
свет не может вырваться из массивных животных силков, он не может быть виден.
Поэтому чтобы искать черные дыры, можно полагаться только на косвенные
доказательства их существования. Одним из способов поиска черной дыры, являются
нахождение областей в открытом космосе, которые обладают большой массой и
находятся в темном пространстве. При поиске подобных типов объектов, астрономы
обнаружили их в двух основных областях: в центрах галактик и в двойных звездных
системах нашей Галактики.

Рис.
4 – Искажение
изображения галактики, проходящей перед черной дырой

         На
самом деле, большинство астрономов теперь считают, что супер массивная черная
дыра может существовать в центре нашей галактики Млечный Путь (рис. 5).
Означает ли это, что она в конечном итоге все поглотит?  На самом деле, нет.
Черная дыра имеет ту же массу, что и оригинальные звезды, потому как была
сформирована из них. Пока ничего не предвещает слишком близкого приближения к
горизонту событий, так что  это безопасно. Вполне вероятно, что миллиарды звезд
в нашей галактике будет продолжать орбиту вокруг этой гигантской черной дыры
миллиарды лет вперед. Доказательства этой и других черных дыр может быть
подтверждены с помощью функции поиска для рентгеновских лучей. Астрономы
полагают, что черные дыры излучают их в большом количестве.

Рис.
5 – Черная дыра в центре
Млечного пути выдала ярчайшую вспышку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

         Из вышесказанного можно сделать вывод
о том, что черная дыра — это тот объект Вселенной, который окончательно еще не
изучен.Черные дыры, несомненно, самые загадочные объекты в космосе. Их
причудливые свойства могут бросить вызов законам физики Вселенной и даже
природе существующей действительности. Черные дыры образуются из ядер супер
массивных звезд, которые можно охарактеризовать как область пространства, где
огромная  масса сосредоточена в пустоте, и ничего, даже свет не может там
избежать гравитационного притяжения. Эта та область пространства, где вторая
космическая скорость превышает скорость света. И чем массивнее объект движения,
тем быстрее он должен двигаться, чтобы избавиться от силы своей тяжести.

«Распространенный миф о черных дырах
говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя» — говорилось в
ведении данной работы. Но, это не так. Они будут всасывать материю, которая
находится на определенном расстоянии, а в остальном они действуют не иначе, чем
массивные звезды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список
литературы и источников

Блог | Телескоп горизонта событий

Ученые Телескопа горизонта событий (EHT) сфотографировали далекий блазар J1924-2914 с беспрецедентным угловым разрешением, раскрывая ранее невидимые детали структуры источника. Блазары — это мощные активные галактические ядра, в которых сверхмассивные черные дыры выбрасывают релятивистские струи, направленные вдоль нашего луча зрения. Блазар может затмить всю свою галактику, и его можно наблюдать с расстояния в миллиарды световых лет с помощью наших радиотелескопов.

…

Подробнее о Разрешение ядра блазара J1924-2914 с помощью телескопа горизонта событий

Сотрудничество Телескопов горизонта событий (EHTC) приветствует критический, независимый анализ и интерпретацию наших опубликованных результатов. Мы публикуем подробные описания наших методов, а также необработанные данные, продукты данных и сценарии анализа, чтобы обеспечить прозрачность, точность и воспроизводимость.

EHT-изображения M87 являются одними из наиболее проверенных интерферометрических изображений, когда-либо опубликованных (1,2). Четыре независимых анализа (3, 4, 5, 6) реконструировали кольцеобразную структуру M87 с использованием разнообразного набора методов. Эти усилия дополняют три…

Подробнее о повторном анализе данных EHT

Астрономы представили первое изображение сверхмассивной черной дыры в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Этот результат предоставляет убедительные доказательства того, что объект действительно является черной дырой, и дает ценные сведения о работе таких гигантов, которые, как считается, находятся в центре большинства галактик. Изображение было создано глобальной исследовательской группой под названием Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration с использованием наблюдений всемирной сети радиотелескопов.

Изображение представляет собой долгожданный взгляд на массивный объект, который находится в. ..

Подробнее о Астрономы показали первое изображение черной дыры в сердце нашей Галактики

Сотрудничество Телескопов горизонта событий (EHTC) и Совместная обсерватория ALMA (JAO) объявляют о выпуске общедоступных данных 1-мм наблюдений интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) с помощью Телескопа горизонта событий (EHT) в апреле 2017 года. Общая цель наблюдений состоит в том, чтобы отобразить сверхмассивные черные дыры M 87* и Стрелец A* в масштабах горизонта событий и отобразить АЯГ OJ 287, 3C 279., Центавр A и NGC 1052 в высоком разрешении.

Пакеты общедоступных данных доступны по адресу…

Подробнее о выпуске общедоступных данных Event Horizon Telescope 2017 Observations

На одновременных пресс-конференциях будут объявлены новаторские результаты совместной работы телескопа Event Horizon, которые будут синхронизированы в 13:00 по всемирному времени 12 мая 2022 года. Они будут проводиться в сотрудничестве с Национальным научным фондом США, Европейской южной обсерваторией, Объединенной Обсерватория ALMA и другие финансирующие агентства и учреждения. Эти события также будут транслироваться онлайн. Перечислены события в алфавитном порядке (указано местное время).

  • Garching bei München, European…

Подробнее о сотрудничестве Event Horizon Telescope, чтобы объявить новаторские результаты Млечного Пути 12 мая 2022 г., в 13:00 UT

Международная команда под эгидой коллаборации Event Horizon Telescope (EHT), которая известна тем, что сделала первое изображение черной дыры в галактике Мессье 87, теперь с беспрецедентной детализацией сфотографировала сердце ближайшей радиогалактики Центавр А. Астрономы определяют местоположение центральной сверхмассивной черной дыры и раскрывают, как рождается гигантский джет. Наиболее примечательно то, что только внешние края струи излучают излучение, что бросает вызов нашим теоретическим моделям струи. Эта работа под руководством Михаэля Янссена из…

Узнайте больше о EHT Pinpoints Dark Heart of the Nearest Radio Galaxy

Открытое в 2020 году партнерство Смитсоновской астрофизической обсерватории с Национальным обществом чернокожих физиков приветствует двух стажеров летом 2021 года для работы над наукой о телескопе Event Horizon.

Кембридж, Массачусетс (14 июля 2021 г.) — Центр астрофизики | Гарвардский и Смитсоновский институт приветствовал двух новых летних стажеров благодаря союзу между Национальным обществом чернокожих физиков (NSBP) и…

Узнайте больше о программе стипендий NSBP/SAO EHT, достигшей рубежа второго года

Event Horizon Telescope Collaboration Ученые используют данные, которые позволили получить первое изображение черной дыры, чтобы определить ее фундаментальные свойства.

В 2019 году коллаборация EHT опубликовала первое изображение черной дыры, расположенной …

Подробнее о Теория Эйнштейна может объяснить существование черной дыры M87*

Коллаборация Event Horizon Telescope (EHT), которая сделала первое в истории изображение черной дыры, представила сегодня новое изображение массивного объекта в центре галактики M87: как он выглядит в поляризованном свете. Это первый раз, когда астрономы смогли измерить поляризацию, сигнатуру магнитных полей, так близко к краю черной дыры. Наблюдения являются ключом к объяснению того, как галактика M87, расположенная на расстоянии 55 миллионов световых лет от нас, способна запускать мощные джеты из своего ядра.

…

Подробнее об астрономических изображениях магнитных полей на краю черной дыры M87

  •  
  • 1 из 4
  • ››

Пресс-релиз

(10 апреля 2019 г.): Астрономы получили первое изображение черной дыры

Ученые получили первое изображение черной дыры, используя наблюдения центра галактики M87 с помощью телескопа Event Horizon. На изображении видно яркое кольцо, сформированное из-за того, что свет изгибается под действием сильной гравитации вокруг черной дыры, которая в 6,5 миллиардов раз массивнее Солнца. Это долгожданное изображение предоставляет самое убедительное на сегодняшний день доказательство существования сверхмассивных черных дыр и открывает новое окно в изучение черных дыр, их горизонтов событий и гравитации. Предоставлено: Event Horizon Telescope Collaboration

Международная коллаборация представляет революционные наблюдения гигантской черной дыры в центре далекой галактики Мессье 87

Телескоп Event Horizon (EHT) — группа из восьми наземных радиотелескопов планетарного масштаба, созданная в результате международного сотрудничества — была разработана для получения изображений черной дыры. Сегодня на скоординированных пресс-конференциях по всему миру исследователи EHT сообщают, что им это удалось, представив первое прямое визуальное свидетельство существования сверхмассивной черной дыры и ее тени.

Об этом прорыве было объявлено сегодня в серии из шести статей, опубликованных в специальном выпуске The Astrophysical Journal Letters . На изображении видна черная дыра в центре Мессье 87 [1], массивной галактики в соседнем скоплении галактик Девы. Эта черная дыра находится на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли и имеет массу в 6,5 миллиардов раз больше массы Солнца [2].

EHT связывает телескопы по всему миру, образуя виртуальный телескоп размером с Землю с беспрецедентной чувствительностью и разрешением [3]. EHT является результатом многолетнего международного сотрудничества и предлагает ученым новый способ изучения самых экстремальных объектов во Вселенной, предсказанных Эйнштейном.0137 ОТО в год столетия исторического эксперимента, впервые подтвердившего теорию [4].

«Мы сделали первый снимок черной дыры», сказал директор проекта EHT Шеперд С. Доулман из Центра астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт. «Это выдающийся научный подвиг, совершенный группой из более чем 200 исследователей».

Черные дыры — необычные космические объекты с огромной массой, но чрезвычайно компактными размерами. Присутствие этих объектов чрезвычайно сильно влияет на окружающую их среду, искривляя пространство-время и перегревая любой окружающий материал.

«Если погрузиться в яркую область, например диск светящегося газа, мы ожидаем, что черная дыра создаст темную область, похожую на тень — что-то, предсказанное общей теорией относительности Эйнштейна, чего мы никогда раньше не видели», — объяснил председатель исследовательского центра. Научный совет EHT Heino Falcke Университета Радбауд, Нидерланды «Эта тень, вызванная гравитационным отклонением и захватом света горизонтом событий, многое говорит о природе этих удивительных объектов и позволяет нам измерить огромные масса черной дыры M87».

Многочисленные методы калибровки и визуализации выявили кольцеобразную структуру с темной центральной областью — тенью черной дыры — которая сохранялась в течение нескольких независимых наблюдений EHT.

«Как только мы убедились, что получили изображение тени, мы могли сравнить наши наблюдения с обширными компьютерными моделями, которые включают в себя физику искривленного пространства, перегретой материи и сильных магнитных полей. Многие особенности наблюдаемого изображения удивительно хорошо соответствуют нашему теоретическому пониманию. , « замечания Пол Т.П. Хо , член правления EHT и директор Восточно-Азиатской обсерватории [5]. «Это дает нам уверенность в интерпретации наших наблюдений, включая нашу оценку массы черной дыры».

Создание EHT было сложной задачей, требующей модернизации и подключения всемирной сети из восьми ранее существовавших телескопов, развернутых в различных труднодоступных высокогорных местах. Эти места включали вулканы на Гавайях и в Мексике, горы в Аризоне и испанской Сьерра-Неваде, чилийскую пустыню Атакама и Антарктиду.

В наблюдениях EHT используется метод, называемый интерферометрией со сверхдлинной базой (VLBI), который синхронизирует возможности телескопов по всему миру и использует вращение нашей планеты, чтобы сформировать один огромный телескоп размером с Землю, наблюдающий на длине волны 1,3 мм. РСДБ позволяет EHT достигать углового разрешения в 20 микросекунд дуги — этого достаточно, чтобы читать газету в Нью-Йорке из уличного кафе в Париже [6].

Этому результату способствовали телескопы ALMA, APEX, 30-метровый телескоп IRAM, телескоп Джеймса Клерка Максвелла, Большой миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано, Субмиллиметровая решетка, Субмиллиметровый телескоп и Телескоп Южного полюса [7]. Петабайты необработанных данных с телескопов были объединены узкоспециализированными суперкомпьютерами, размещенными в Институте радиоастрономии Макса Планка и обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института.

Строительство EHT и объявленные сегодня наблюдения представляют собой кульминацию десятилетий наблюдательной, технической и теоретической работы. Этот пример глобальной командной работы потребовал тесного сотрудничества исследователей со всего мира. Тринадцать учреждений-партнеров работали вместе над созданием EHT, используя как уже существующую инфраструктуру, так и поддержку различных агентств. Основное финансирование было предоставлено Национальным научным фондом США (NSF), Европейским исследовательским советом ЕС (ERC) и финансирующими агентствами в Восточной Азии.

«Мы достигли чего-то, что еще поколение назад считалось невозможным», — заключил Доулман. «Прорывы в технологиях, связи между лучшими радиообсерваториями мира и инновационные алгоритмы — все это объединилось, чтобы открыть совершенно новое окно в области черных дыр и горизонта событий».

Примечания

[1] Тень черной дыры — это самое близкое к изображению самой черной дыры, которое мы можем получить, совершенно темного объекта, из которого не может выйти свет. Граница черной дыры — горизонт событий, от которого EHT получила свое название, — примерно в 2,5 раза меньше тени, которую она отбрасывает, и имеет размер чуть менее 40 миллиардов километров в поперечнике.

[2] Сверхмассивные черные дыры — это относительно крошечные астрономические объекты, что делает невозможным их прямое наблюдение до сих пор. Поскольку размер черной дыры пропорционален ее массе, чем массивнее черная дыра, тем больше ее тень. Благодаря своей огромной массе и относительной близости черная дыра M87 должна была стать одной из крупнейших видимых с Земли, что делает ее идеальной целью для EHT.

[3] Хотя телескопы физически не связаны, они могут синхронизировать записанные данные с атомными часами — водородных мазеров — точное время их наблюдений. Эти наблюдения были собраны на длине волны 1,3 мм во время глобальной кампании 2017 года. Каждый телескоп EHT производил огромные объемы данных — примерно 350 терабайт в день — которые хранились на высокопроизводительных жестких дисках, заполненных гелием. Эти данные были отправлены на высокоспециализированные суперкомпьютеры, известные как корреляторы, в Институте радиоастрономии им.0138 объединить. Затем они были кропотливо преобразованы в изображение с использованием новых вычислительных инструментов, разработанных в сотрудничестве.

[4] 100 лет назад две экспедиции отправились на остров Принсипи у побережья Африки и Собрал в Бразилии, чтобы наблюдать солнечное затмение года 1919 года с целью проверить общую теорию относительности, увидев, будет ли свет звезд преломляться вокруг краю Солнца, как и предсказывал Эйнштейн. В ответ на эти наблюдения EHT отправил членов команды на некоторые из самых высоких и изолированных радиостанций в мире, чтобы еще раз проверить наше понимание гравитации.

[5] Партнер Восточноазиатской обсерватории (EAO) по проекту EHT представляет участие многих регионов Азии, включая Китай, Японию, Корею, Тайвань, Вьетнам, Таиланд, Малайзию, Индию и Индонезию.

[6] Будущие EHT-наблюдения увидят существенно повышенную чувствительность с участием обсерватории IRAM NOEMA , Гренландского телескопа и телескопа Китт-Пик .

[7] ALMA является партнерством Европейской южной обсерватории (ESO; Европа, представляющая государства-члены), Национального научного фонда США (NSF) и Национальных институтов естественных наук (NINS) Японии вместе с Национальным исследовательским центром. Совета (Канада), Министерства науки и технологий (МОСТ; Тайвань), Института астрономии и астрофизики Academia Sinica (ASIAA; Тайвань) и Корейского института астрономии и космических наук (KASI; Республика Корея) в сотрудничестве с Республикой Чили. APEX управляется ESO, 30-метровый телескоп управляется IRAM (организациями-партнерами IRAM являются MPG (Германия), CNRS (Франция) и IGN (Испания)), телескоп Джеймса Клерка Максвелла управляется EAO, Большой Миллиметровый телескоп Альфонсо Серрано находится в ведении INAOE и UMass, субмиллиметровая решетка находится в ведении SAO и ASIAA, а субмиллиметровый телескоп находится в ведении Аризонской радиообсерватории (ARO).