Презентація на тему «Чорні діри» (варіант 2)

content: Чорні діри

content: Чорна діра — астрофізичний об'єкт, який створює настільки велику силу тяжіння, що жодні, як завгодно швидкі частинки, не можуть покинути його поверхню, в тому числі світло.

content: ІсторіяЛаплас 1787 року вперше розрахував розміртіла з густиною води, на поверхні якого другакосмічна швидкість дорівнює швидкостісвітла. Таке тіло для зовнішнього спостерігачабуло б абсолютно чорним. Протягом XIX століття ідея тіл, невидимихвнаслідок своєї масивності, не викликала великого інтересу у вчених. Цебуло пов'язано з тим, що в рамках класичної фізики швидкість світла немає фундаментального значення. Проте в кінці XIX — початку XX століттябуло встановлено, що сформульовані Дж.Максвелломзакони електродинаміки, з одного боку, виконуються у всіхінерціальних системах відліку, а з іншого боку, не володіютьінваріантністю щодоперетворень Галілея. Це означало, що існуючі уфізиці уявлення про характер переходу від однієї інерціальної системивідліку до іншої потребують значного коректування.

content: В ході подальшої розробки електродинаміки Г. Лоренцем булазапропонована нова система перетворень просторово-часових координат(відомих сьогодні як перетворення Лоренца), щодо яких рівняння Максвеллазалишалися інваріантними. Розвиваючи ідеї Лоренца, А. Пуанкареприпустив, щовсі інші фізичні закони також інваріантні щодо цих перетворень.У 1905 році А. Ейнштейн використав концепції Лоренца і Пуанкаре усвоїй спеціальній теорії відносності (СТО), в якій роль закону перетворенняінерційних систем відліку остаточно перейшла від перетворень Галілея доперетворень Лоренца. Класична (галілеївсько-інваріантна) механіка була прицьому замінена на нову, Лоренц-інваріантну релятивістську механіку. В рамкахостанньої швидкість світла виявилася граничною швидкістю, яку може розвинутифізичне тіло, що радикально змінило значення чорних дір у теоретичній фізиці.Однак ньютонівська теорія тяжіння (на якій базувалася первісна теорія чорнихдір) не є Лоренц-інваріантною. Тому вона не може бути застосована до тіл, щорухаються з наближеною до світлової і світловими швидкостями.Позбавлена цього недоліку релятивістська теорія тяжіння була створена, восновному, Ейнштейном (сформулював її остаточно до кінця 1915 року) іотримала назву загальної теорії відносності (ЗТВ). Саме на ній і грунтуєтьсясучасна теорія чорних дір.

content: В 1970-х Стівен Хокінг теоретично передбачив квантове випромінювання мікроскопічних чорних дір (розміром менших за атомне ядро). Такі чорні діри могли утворитися в момент Великого Вибуху і залишитися донині. Первинні чорні діри спостерігати неможливо, тому вони залишаються гіпотетичними.У 2000-х роках встановлено, що в центрі практично кожної галактики розташована надмасивна чорна діра, а також ту особливу роль, яку відіграють чорні діри в утворенні галактик.

content: БудоваЧорна діра може мати три фізичні параметри: масу,електричний заряд і момент імпульсу. Навколо чорної діри можна побудувати уявну поверхню, з-під якої не може виходити випромінювання, така поверхня називається горизонтом подій.Область простору-часу поблизу чорної діри, розташована між горизонтом подій і межею статичності називається ергосферою. Об'єкти, що знаходяться в межах ергосфери, неминуче обертаються разом з чорною дірою за рахунок ефекту Ленза — Тіррінга. Ергосфера має форму сфероїда, менша піввісь якого рівна радіусу горизонту подій, більша — подвоєному радіусу.В надрах чорної діри кривина сили гравітації сягає нескінченності в області, яка називаєтьсясингулярністю. Для чорних дір, які не обертаються, сингулярність має форму точки. Сингулярність чорної діри, яка обертається, має форму кільця

content: Ергосфера являє собою еліпсоїд поза межами горизонту подій, об'єкти в ньому не можуть знаходитись в стані спокою.

content: СпостереженняЧорні діри зоряних мас спостерігаються у складі тісних подвійних систем.Речовина зорі-супутника перетікає на чорну діру по спіралі. При цьомуУтворюється акреційний диск, який випромінює в рентгенівському і гамма-діапазонах. Перша чорна діра була відкрита в 1967 в сузір'ї Лебедя. До 2004 р.рентгенівський космічний телескоп RXTE достовірно виявив 15 чорних дір вподвійних зоряних системах в нашій галактиці.Маси гігантських чорних дір визначають по швидкостях зір в ядрах галактик. На2004 р. таким чином визначені маси центральних чорних дір в 30 галактиках, втому числі і в нашій.Також чорні діри можуть бути виявлені завдяки явищу гравітаційноголінзування (при проходженні чорної діри між звичайною зорею і спостерігачем,відбувається візуальне збільшення яскравості зорі, оскільки гравітаційне полечорної діри викривляє світлові промені). Це явище також називають кільцямиЕйнштейна.Наймасивніша з відомих чорних дір має масу 6.6 млрд сонячних мас. Вона єцентральною чорною діркою у галактиці Мессьє 87.

content: Моделювання гравітаційного лінзуваннячорною дірою, яка викривляє зображеннягалактики перед якою вона проходить.

content: Чорні діри у ВсесвітіЗ часу теоретичного передбачення чорних дір залишалося відкритим питання про їх існування,тому що наявність рішення типу «чорна діра» ще не гарантує, що існують механізми утворенняподібних об'єктів у Всесвіті. З математичної точки зору відомо, що як мінімумколапсгравітаційних хвиль в загальній теорії відносності стійко веде до формування пастковихповерхонь, а отже, і чорної діри, як доведено Деметріосом Крістодулу в 2000-х роках (ПреміяШоу за 2011 рік).З фізичної точки зору відомі механізми, які можуть призводити до того, що деяка областьпростору-часу буде мати ті ж властивості (ту ж геометрію), що і відповідна область у чорноїдіри.В реальності через аккреції речовини, з одного боку, і (можливо) випромінювання Хокінга, зіншого, простір-час навколо колапсара відхиляється від наведених вище точних розв'язківрівняньЕйнштейна. І хоча в будь-якій невеликій області (крім околиць сингулярності) метрикаспотворенане надто сильно, глобальна причинна структура простору-часу може відрізнятисякардинально.Зокрема, даний простір-час може, за деякими теоріями, вже й не мати горизонту подій. Цепов'язано з тим, що наявність або відсутність горизонту подій визначається, серед іншого, іподіями, що відбуваються в нескінченно віддаленому майбутньому спостерігача[.

content: Чорні діри зоряних масЧорні діри зоряних мас утворюються як кінцевий етап життя зірки, після повноговигоряння термоядерного палива та припинення реакції зірка теоретичноповинна почати охолоджуватися, що призведе до зменшення внутрішнього тискуі стиснення зірки під дією гравітації. Стиснення може зупинитися на певномуетапі, а може перейти в стрімкий гравітаційний колапс.Залежно від маси зірки і обертального моменту можливі наступні кінцеві стани:Згасла дуже щільна зірка, що складається в основному, залежно від маси, з гелію,вуглецю, кисню, неону, магнію, кремнію або заліза (основні елементиперераховані в порядку зростання маси залишку зірки). Такі залишки називаютьбілими карликами, маса їх обмежується зверху межею Чандрасекара.Нейтронна зірка, маса якої обмежена межею Оппенгеймера — Волкова.Чорна діра.У міру збільшення маси залишку зірки відбувається рух рівноважної конфігураціївниз по викладеній послідовності. Обертальний момент збільшує граничні масина кожному ступені, але не якісно, ​​а кількісно (максимум в 2-3 рази).

content: Надмасивні чорні діриДуже великі чорні діри, що розрослися 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 надійно 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 діри повинна бути як мінімум 6,4 мільярда сонячних мас, тобто в два рази більше нинішніх оцінок ядра М87, які становлять 3 млрд сонячних мас.Для чорної діри в ядрі галактики гравітаційний радіус дорівнює 3•1015 см = 200 а.о., що в п'ять разів більше відстані від Сонця до Плутона. Критична щільність при цьому дорівнює 0,2•10−3 г/см³, що в кілька разів менше щільності повітря.

content: Первинні чорні діриПервинні чорні діри в даний час носять статус гіпотези. Якщо в початкові моменти життя Всесвіту існували достатньої 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 зірковому колапсі — їх маса, ймовірно, могла б бути досить малою. Виявлення первинних чорних дір представляє особливий інтерес у зв'язку з можливостями вивчення явища випаровування чорних дір.

content: Квантові чорні діриПередбачається, що в результаті ядерних реакцій можуть виникати стійкімікроскопічні чорні діри,так звані квантові чорні діри. Для математичного опису таких об'єктівнеобхідна квантова теорія гравітації. Однак із загальних міркуваньдосить імовірно, що спектр мас чорних дірок дискретний і існуєМінімальна чорна діра — Планковська чорна діра. Її маса — близько10−5 г, радіус — 10−35 м. Комптонівська довжина хвилі планковськоїчорної діри .По порядку величини дорівнює її гравітаційного радіусу.

content: Таким чином, всі «елементарні об'єкти» можна розділити на елементарні частинки (їх довжинахвилі більше їх гравітаційного радіуса) і чорні діри (довжина хвилі менше гравітаційногорадіуса). Планковська чорна діра є прикордонним об'єктом, для неї можна зустрітиназвумаксимон, яке вказує на те, що це найважча з можливих елементарних частинок. ІншийІноді вживається для її позначення термін — планкеон.Навіть якщо квантові чорні діри існують, час їх існування вкрай малий, що робить їхбезпосереднє виявлення дуже проблематичним. Останнім часом запропонованоексперименти з метоювиявлення ознак появи чорних дір в ядерних реакціях. Однак для безпосереднього синтезучорної діри у прискорювачі необхідна недосяжна на сьогодні енергія 1026 еВ. Мабуть, вреакціях надвисоких енергій можуть виникати віртуальні проміжні чорні діри.Експерименти протон-протонних зіткнень з повною енергією 7 ТеВ на Великому адронномуколайдері показали, що цієї енергії недостатньо для утворення мікроскопічних чорних дір. Напідставі цих даних робиться висновок, що мікроскопічні чорні діри повинні бути важче 3,5-4,5ТеВ в залежності від конкретної реалізації.