Черные дыры и элементарные частицы

Черные дыры и элементарные частицы

Байдин А.Э.,Воронин А.С., Митрофанов А.В.

Целью данной работы является формирование понятий: черная дыра, элементарная частица, горизонт событий, сингулярность, взаимодействие, квазары .Данный информационный ресурс можно использовать на факультативных занятиях по астрономии (при изучении нашей Вселенной) или физики в 10-11 классах средней школы.

В настоящее время неизвестно существуют черные дыры или нет. Если они даже существуют, то они находятся на большом расстоянии от нас, что затрудняет их изучение. В случае более детального изучения черных дыр, возможно ученым-теоретикам удалось бы объединить квантовую механику (микромир) и ОТО (макромир) в единую теорию квантовой гравитации. В данной работе сравниваются объекты микромира и макромира. Существование черных дыр подразумевает существование сингулярности. С помощью ее объясняются модели Фридмана (образование вселенной), т.е. при объяснении темы Вселенная можно коснуться объяснения объекта черная дыра. При изучении темы "Ядерные реакции" можно уточнить, что существует процесс, при котором энерговыделение на два порядка больше, чем при ядерных реакциях (слияние черных дыр). 

История исследования черных дыр 

В 1928 г. Субраманьян Чандрасекар во время путешествия по морю в Англию вычислил, какой величины должна быть звезда, чтобы, израсходовав весь запас топлива, она могла противостоять собственным гравитационным силам.

Чандрасекар рассчитал, что холодная звезда массой превышающей в 1.5 раза массу Солнца не может противостоять собственной гравитации. Данное значение массы называют пределом Чандрасекара.

Приблизительно в то же время аналогичное открытие сделал .Д.Ландау.Выводы, сделанные Ландау и Чандрассекаром, имели большое значение, в представлении об эволюции звЈзд с большой массой. Ландау показал, что звезда может оказаться в другом конечном состоянии- нейтронном. По современным данным, если масса звезды к концу еЈ жизни превышает 1.25 масс Солнца, то она может превратиться в нейтронную звезду.

В 1939 г. Дж. Р. Оппенгеймер согласно общей теории относительности решил, что должно произойти со звездой, масса которой в конце жизни превышает предел Чандрасекара. Радиус звезды достигнет некоторого критического значения, гравитационное поле будет очень большим, и световые конусы повернутся внутрь настолько, что свет не сможет выйти наружу. Звезда после этого будет сжиматься до бесконечного значения плотности- коллапсировать.Теоретические исследования, проведЈнные в 60-е годы Брендоном Картером, Вернером Израэлом, Д. Робинсоном, С. Хоукингом, показали, что с точки зрения внешнего наблюдателя чЈрная дыра имеет три характеристики: масса M, электрический заряд Q и собственный момент импульса J. Все остальные свойства вещества в чЈрной дыре теряются.

В 1916- 1918 гг. Х. Райсснер и Дж. НордстрЈм нашли решение, описывающее чЈрную дыру с массой М и электрическим зарядом Q. В 1963 г. австрийский математик Рой П. Керр получил решение уравнений поля для черной дыры с массой М и собственным моментом импульса J. Через два года Э. Ньюмен с соавторами нашел решение, в котором фигурировали все три характеристики чЈрных дыр: M, Q, J.

В 73-74-м гг. Хокинг исследовал квантовые эффекты в поведении вещества в окрестности чЈрной дыры. Он обнаружил, что чЈрные дыры должны испускать частицы- фотоны, электроны и нейтрино - и что, с точки зрения удалЈнного наблюдателя, это излучение будет иметь сплошной спектр, какого можно ожидать в излучении абсолютно чЈрного тела. 

Черные дыры и их свойства. 

Как известно, черной дырой называется область пространства-времени, в которой гравитационное поле настолько сильно, что даже свет не может покинуть эту область. Это происходит, если размеры тела меньше его гравитационного радиуса

Rg=2GM/c2 

где G - постоянная тяготения, c - скорость света, М - масса тела. Гравитационный радиус Солнца 3 км, Земли - около 9 мм.

Общая теория относительности А. Эйнштейна предсказывает удивительные свойства черных дыр, из которых важнейшее - наличие у черной дыры горизонта событий. Для невращающейся черной дыры радиус горизонта событий совпадает с гравитационным радиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдателя ход времени останавливается. 

Космический корабль, посланный к черной дыре, с точки зрения далекого наблюдателя, никогда не пересечет горизонт событий, а будет непрерывно замедляться по мере приближения к нему. Все, что происходит под горизонтом событий, внутри черной дыры, внешний наблюдатель не видит. 

Космонавт в своем корабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий, но передать какую-либо информацию внешнему наблюдателю он не сможет. При этом космонавт, свободно падающий под горизонтом событий, вероятно, увидит другую Вселенную и даже свое будущее ... Связано это с тем, что внутри черной дыры пространственная и временная координаты меняются местами и путешествие в пространстве здесь заменяется путешествием во времени.

Еще более необычны свойства вращающихся черных дыр. У них горизонт событий имеет меньший радиус, и погружен он внутрь эргосферы - области пространства-времени, в которой тела должны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационным полем вращающейся черной дыры.

Столь необычные свойства черных дыр многим кажутся просто фантастическими, поэтому существование черных дыр в природе часто ставится под сомнение. 

Из классической теории следует, что чЈрная дыра должна существовать вечно. Она никогда не уменьшится в размерах и не будет терять массу. Черная дыра может замедлить своЈ вращение или потерять электрический заряд, то есть превратится в шварцшильдовскую чЈрную дыру. Хокинг сформулировал следующую теорему: площадь горизонта событий не может уменьшаться; если вещество и излучение падает в чЈрную дыру, то площадь поверхности горизонта событий возрастает, а в случае слияния двух черных дыр площадь возникающего горизонта событий должна быть больше либо равна сумме площадей горизонтов событий исходных чЈрных дыр. По своему поведению горизонт событий аналогичен энтропии, которая тоже во всех термодинамических процессах возрастает.

В 73-74-м гг. Хокинг исследовал квантовые эффекты в поведении вещества в окрестности чЈрной дыры. Он обнаружил, что чЈрные дыры должны испускать частицы- фотоны, электроны и нейтрино - и что, с точки зрения удалЈнного наблюдателя, это излучение будет иметь сплошной спектр, какого можно ожидать в излучении абсолютно чЈрного тела. ЧЈрные дыры также должны иметь температуру, величина которой обратно пропорциональна их массе. Это открытие позволило установить взаимосвязь межу гравитацией, термодинамикой и квантовой теорией.

Объяснить каким образом чЈрная дыра излучает энергию можно исходя из позиций квантовой механики. Из принципа неопределЈнности следует, что мы не можем одновременно точно измерить координату и импульс, а можем только определить вероятность нахождения частиц с заданными скоростями в некоторой области пространства. Также согласно этому принципу мы не сможем определить точное значение энергии за малый промежуток времени. 

Принцип неопределЈнности в сочетании с формулой Эйнштейна позволяет сделать вывод, что в "пустом" пространстве на короткое время могут рождаться виртуальные пары частица- античастица, которые при отсутствии энергии быстро аннигилируют. Мощное гравитационное поле в окрестности чЈрной дыры резко увеличивает образование пар частиц. В обычных условиях аннигиляция частиц происходит практически мгновенно. Однако вблизи горизонта событий приливные силы могут отделить частицу от античастицы. Эти частицы могут упасть в чЈрную дыру, но возможны случаи, когда падает только одна частица, вторая же покидает окрестность чЈрной дыры. Это один из вариантов объяснения явления излучения энергии чЈрной дырой. 

Элементарные частицы

Элементарные частицы - мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные кирпичики мироздания, подобные атомам Демокрита. 

Число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико. Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы; остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 103 с для свободного нейтрона до 10-22 10-24 с для резонансов. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы состоят из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.

Классификация элементарных частиц производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин. Отдельную группу составляет фотон. Частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейся внутренней характеристикой лептонным зарядом, образуют группу лептонов.

Элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное, называются адронами. Характерным для адронов сильным взаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин (законов сохранения), в т. ч. специфического для них барионного заряда, странности, изотопического спина, очарования. Адроны делятся на барионы и мезоны. По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны из кварка и антикварка.

При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законами сохранения. Последовательная теория элементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения масс элементарных частиц и другие их внутренние характеристики, еще не создана. 

Кандидаты в черные дыры

Каталог кандидатов в чЈрные дыры. Содержит 17 источников. Все они обнаружены в двойных системах. Все кроме одного LMC X-1 находятся в плоскости нашей Галактики. Восемь из них обнаружено в направлении на ядро нашей Галактики.



Кандидаты в чЈрные дыры могут обозначаться по названию созвездия Cyg X-1 (Лебедь) и по названию обсерватории с обозначением прямого восхождения и склонения GRO J0422+32 (Gamma Ray Observatory =4h 22m, =+32 ). Ряд источников открыт телескопом ТТМ и обсерваторией Гранат, их названия KS (Kvant Source) и GRS (Granat Source).

В настоящее время нельзя с уверенностью сказать существуют чЈрные дыры или нет, поэтому представлен каталог кандидатов в чЈрные дыры, а не каталог чЈрных дыр. Существование чЈрных дыр подразумевает существование сингулярностей, то есть бесконечных плотностей; этот вопрос остаЈтся спорным уже более семидесяти лет. Сам Эйнштейн писал, что звЈзды не могут сжиматься до нулевых размеров, хотя это следовало из его собственной теории.

Квазары - сверхмассивные черные дыры

Основные наблюдаемые свойства 

В 1960 г. были обнаружены радиосточники с малыми угловыми размерами (менее 10 сек. дуги), которые затем были отождествлены со звездообразными объектами в потическом диапазоне (квазар - аббревиатура от англ. QUASi-stellAR Radiosource). В 1963 г. Мартен Шмидт снял спектр источника 3С 273. В спектре были видны широкие эмиссионные линии Бальмеровской серии водорода и Mg II, а красное смешение оказалось z=0.158 (т.е. расстояние до источника d=zc/H0=630 Мпк). В настоящее время известно свыше 7 тыс. квазаров. 

Основные феноменологические свойства: 

Большое красное смещение (далекие объекты) - рекорд (1997) 4.98 

нетепловой (степенной) непрерывный спектр ЭМ излучения во всем диапазоне длин волн 

широкие линии излучения в разрешенных линиях (ширина до 2000 км/с) и узкие запрещенные эмиссионные линии (как в газовых туманностях) 

переменность излучения на временах от нескольких дней до неск. месяцев ==> характерный размер излучающей области R=ct=3*1016-3*1017 см меньше 1 пк (Замечание: наилучшее ограничение на размер излучающей области получено в 1989 г. из наблюдений микролинзирования квазаров и составляет 1015 см - всего 60 астрономических единиц!) 

огромная светимость L~1046-1047 эрг/с (для сравнения: полная светимость гигантской спиральной галактики типа нашей 4*1044 эрг/с) 

часто вокруг квазара видна хозяйская (host) галактика разной морфологии (эллиптическая или спиральная), как правило наблюдаются во взаимодействующих (сливающихся) галактиках 

часто наблюдаются труйные выбросы (джеты) частиц с релятивистскими скоростями (до 0.99 с), видимые в радиодиапазоне до расстояний в неск. мегапарсек 

Схожие свойства (несколько в меньшем масштабе) наблюдается от активных ядер галактик (радиогалактики, Сейфертовские галактики, объекты типа BL Ящерицы (лацертиды)). Высокая светимость и компактность излучающей области определяют физическое состояние вещества вблизи центра квазара. 

Пример: плотность излучения на характерном расстоянии 1015 cм от центра квазара со светимостью 1047 эрг/с эрг/см на много порядков больше плотности энергии реликтового излучения ( ~10-12 эрг/см ) или уф-излучения звезд в Галактике (~3*10-15 эрг/см). 

Активные галактики и квазары составляют относительно немногочисленный подкласс объектов (иными словами стадия активности квазара или ядра галактики много меньше хаббловского времени 1010 лет). 

Их пространственная плотность: 

Обычные галактики 10-2 на куб. Мпк 

Сейфертовские галактики 10-4 на куб. Мпк 

Радиогалактики 10-6 на куб. Мпк 

Квазары 10-8 на куб. Мпк