Сверхмассивные чёрные дыры

Реферат

На тему “Чёрные дыры”

Подготовил

Обучающийся 9-М класса

ЕУВК ”Интеграл”

Бамбуркин Михаил Сергеевич

Чёрная дыра

Если звезду типа Солнца сжать до радиуса в 5 км, то ничто, и даже свет, не смогут её покинуть — настолько сильна будет её гравитация. Так и появилось понятие - чёрная дыра, ведь ничто не может ее покинуть. Эти объекты таят в себе множество нераскрытых тайн

После истощения запасов ядерного топлива термоядерные реакции прекращаются, и звезда начинает сжиматься под собственным весом. Если она имеет довольно большую массу, ядро сжимается настолько сильно, что образуется черная дыра. Эти объекты имеют колоссальную массу при небольшом объеме, а гравитация их настолько сильна, что даже свет не может покинуть её притяжение.

 

Если Солнце когда-нибудь станет таким телом, то его необходимо сжать до радиуса всего 9 км, а Землю и вовсе нужно сжать до размеров горошины.

Теория струн допускает рождение чёрных дыр микроскопических размеров от столкновения двух частиц (например, протонов). При ударе возможно их сильное сжатие, достаточное для появления микроскопической черной дыры, но время жизни её ничтожно и опасности она не представляет. Большой взрыв вполне мог способствовать появлению этих объектов, потому что тогда плотность материи была очень высокой. Но небольшие дыры наверняка испарились, теряя массу посредством излучений и потоков частиц. До наших времён могли дожить лишь тела, массы которых были больше 10¹² кг. Нынешний размер таких объектов сопоставим с протоном или нейтроном.

 

Горизонт событий

Чёрные дыры создают невероятные гравитационные поля, поэтому пространство и времени возле них сильно искажается.

Горизонтом событий называют границу, из которой не могут вырваться объекты даже со скоростью света. За очень малое время вещество за горизонтом событий сжимается в точку – сингулярность.

В ней плотность и тяготение принимают бесконечные значения. Но всё это верно для обычного, макромира. Микромир ещё не имеет своей теории гравитации. Полученное фото – результат нескольких лет работы ученых по всему миру.

 

В среду, 10 апреля, международная группа астрофизиков представила первую в истории фотографию черной дыры, а точнее – ее горизонта события. Изображение дыры в центре галактики M87 в созвездии Девы – результат нескольких лет обработки данных, полученных радиотелескопами по всей планете. Рассказываем подробнее, что изображено на снимке и почему он так важен для научного мира.

 

Первое фото черной дыры

Сенсационное заявление сделали европейские ученые: им удалось впервые сделать фотографию черной дыры – сверхмассивного коллапсара в далекой галактике Messier 87, находящейся в скоплении Девы. Снимок был получен с помощью проекта Event Horizon Telescope который запустился в 2012 году.

Как получили фото

Отметим, что на фото не сама черная дыра, а ее "внешняя оболочка" – точка невозврата, также известная как горизонт событий. Так называется область пространства-времени, внутри которой гравитация черной дыры уже не дает вырваться наружу никакой информации, но снаружи у лучей еще есть возможность избежать притяжения.

 

Уловить и сфотографировать эти лучи – прошедшие по самому краю горизонта событий, но не поглощенные черной дырой – на протяжении многих лет пытался проект Event Horizon Telescope [EHT]. Это сложная сеть радиотелескопов, работающих в миллиметровом диапазоне, раскиданных по всему миру.

Ключевым моментом было появление в 2013 году системы телескопов ALMA в Чили – это ядро "Телескопа горизонта событий". Объединение большого количества телескопов от Антарктиды до Гренландии и возможность совместной обработки данных, и позволили получить фото.

Так, ЕНТ смог разглядеть тень сверхмассивной черной дыры в центре галактики Мессье 87, также называемой Дева A. Данные с телескопов обрабатывали почти два года. Наблюдения на EHT основывались на применении методики интерферометрии со сверхдлинной базой [VLBI], которая предполагает синхронизацию всех телескопов всемирной сети.

 

"Когда мы убедились, что действительно получили изображение тени, мы сравнили наши результаты с обширной коллекцией компьютерных моделей, отражающих физические особенности искривленного пространства, нагретого до сверхвысоких температур вещества и сильных магнитных полей. Многие свойства полученного изображения неожиданно соответствуют нашим теоретическим представлениям”, – отмечает Пол Хо [Paul T.P. Ho], член Научного Комитета EHT.

 

 

Что внутри чёрной дыры

Установлено, что внутри черной дыры — сингулярность.

Интересные факты

· Время возле чёрных дыр протекает медленнее, нежели вдали от них. Если наблюдать за предметом, брошенным в этот объект, то движение предмета будет замедляться, а видимость его ослабляться. В конце он остановится и станет невидимым. Но если наблюдатель сам прыгнет туда, то мгновенно упадёт в центр дыры, а гравитационные силы разорвут его моментально. А увидит он всю жизнь вселенной, от рождения до смерти.

· Интересное свойство — после преодоления горизонта событий: чем сильнее вы будете сопротивляться гравитации чёрной дыры и стремиться улететь подальше, тем быстрее вы упадёте в неё.

• Неважно, что из себя представляло тело до сжатия, после этого процесса можно исследовать лишь три его параметра. Это электрический заряд, полная масса и момент импульса.
• Невозможно установить исходные параметры чёрной дыры – её форму, цвет, состав вещества.
• Всё, попадающее за горизонт событий, обязательно падает к центру, где находится сингулярность, имеющая бесконечную плотность. Это место, где уже не работают законы физики и классические концепции пространства и времени.
• Стивен Хоккинг сумел открыть испарения чёрных дыр. Крупные дыры будут испаряться очень долго — десятки и сотни миллиардов лет, а микроскопические — за доли секунды. Гипотетическое испарение, или испускание фотонов называют излучением Хокинга. Этот процесс имеет чисто теоретическое обоснование. Согласно теории, черные дыры образовавшиеся при рождении Вселенной и имеющие массы 10¹²кг, к нашему времени должны полностью испариться. Поскольку интенсивность испарения возрастает с уменьшением размера, то этот процесс должен закончиться взрывом. Пока такие взрывы астрономами не наблюдались.
• Классическая теория гравитации предполагает, что черную дыру невозможно ни уменьшить, ни уничтожить. Она может только увеличиваться. Из этого следует, что информация, попавшая внутрь недоступна для наружного наблюдателя.
• Никто не знает наверняка, что мы увидим, приблизившись к чёрной дыре. Но вполне возможно, что она не такая и чёрная. Вещество, летящее на её поверхность, разгоняется и разогревается, и, перед тем, как нырнуть за горизонт событий, должно светиться. Поэтому перед нами будет не круглый тёмный вырез в пространстве, а сияющий ореол, немного похожий на солнце в момент его полного затмения.
• Наиболее распространенным в массовой культуре изображением черной дыры, до появления реального фото, являлся образ Гаргантюа в фильме "Интерстеллар", за научную достоверность которого отвечал известный американский астрофизик Кип Торн.

 

 

Сверхмассивные чёрные дыры

Все галактики имеют в своём центре чёрные дыры, включая и нашу. Такие выводы сделаны на основании наблюдений движения межзвёздного газа и близких звезд. Расчёты показывают, что объекты в центре галактики должны иметь громадные массы при небольших размерах. Получается, что центр любой галактики и есть чёрная дыра. И массы их – миллионы и миллиарды масс Солнца. Все наблюдаемые звёздные системы со свойствами чёрных дыр имеют массы 4 – 16 солнечных.

В нашей галактике за 12 млрд. лет её жизни должны были образоваться десятки миллионов этих суперплотных объектов. Астрономические наблюдения это подтверждают, но природа появления таких сверхгигантских чёрных дыр пока не ясна.

Столкновение чёрных дыр

Если две чёрные дыры столкнутся, то должно произойти их слияние. Это событие будет сопровождаться излучением гравитационных волн. По величине такая энергия составит несколько процентов от суммарной массы дыр. И существование гравитационных волн было доказано в обсерватории LIGO

Многие сигналы — колебания звезд, еще какие-то — переводят в звуковую форму.

 

Как их обнаружить

Обнаружить чёрную дыру возможно, если она входит в состав двойной системы, Например, в двойной системе одна из звезд взрывается, превращаясь в сверхновую. На оставшуюся звезду будет действовать гравитация соседки, следовательно вещество из звезды будет перетекать в чёрную дыру (она буквально будет «пожирать» звезду).

Вещество со звезды закрутится в спираль вокруг черной дыры, произойдёт его сильное уплотнение и разогрев. Нагрев будет продолжаться до возникновения волнового излучения в рентгеновском диапазоне, по характеру которого и можно понять параметры объекта. Также, черн щепризнанную теорию. ая дыра, пролетая возле звезды, отклоняет ее с обычной траектории своей колоссальной гравитацией, тем самым выявляя себя. Чёрные дыры, не имеющие напарника-звезду, также существуют в теоретических расчётах.

Как изучают

Изучают черные дыры в основном при помощи математического моделирования и физики. Если теоретические выкладки согласуются с наблюдениями и не противоречат доказанным фактам, гипотеза превращается в общепризнанную теорию.

 

Ссылки

https://light-science.ru/kosmos/vselennaya/chyornaya-dyra.html

https://ru.tsn.ua/nauka_it/pervoe-foto-chernoy-dyry-chto-imenno-na-nem-izobrazheno-i-pochemu-eto-vazhno-rasskazyvaem-maksimalno-prosto-1327794.html

https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/5971/%D0%A7%D0%95%D0%A0%D0%9D%D0%90%D0%AF

https://indicator.ru/tags/chernaya-dyra/