рефераты, курсовые, дипломы >>> астрономия, авиация, космонавтика

 

Темные дыры

 
Изложены новые данные по определению масс темных дыр в рентгеновских двойных звездных системах. К настоящему времени понятно 10 рентгеновских двойных систем, содержащих мощные (с массой более трехсолнечных) рентгеновские источники - кандидаты в темные дыры. Замечательно, что ни у одного из них не наблюдается феноменов рентгеновского пульсара либо рентгеновского барстера I типа.
Как понятно, темной дырой именуется область пространства-времени, в которой гравитационное поле так сильно, что даже свет не может покинуть эту область. Это происходит, если размеры тела меньше его гравитационного радиуса где G - неизменная тяготения, c - скорость света, М - масса тела. Гравитационный радиус Солнца 3 км, Земли - около 9 мм.
общественная теория относительности А. Эйнштейна предсказывает удивительные характеристики темных дыр, из которых важнейшее - наличие у темной дыры горизонта событий. Для невращающейся темной дыры радиус горизонта событий совпадает с гравитационным радиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдающего ход времени останавливается. Космический корабль, посланный к темной дыре, с точки зрения далекого наблюдающего, никогда не пересечет горизонт событий, а будет непрерывно замедляться по мере приближения к нему. Все, что происходит под горизонтом событий, внутри темной дыры, внешний наблюдающий не видит. Космонавт в собственном корабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий, но передать какую-или информацию внешнему наблюдающему он не сумеет. При этом космонавт, свободно падающий под горизонтом событий, возможно, увидит другую Вселенную, и даже свое будущее. Связано это с тем, что внутри темной дыры пространственная и временная координаты изменяются местами и путешествие в пространстве тут заменяется путешествием во времени.
Еще более необычны характеристики крутящихся темных дыр. У них горизонт событий имеет меньший радиус, и погружен он вовнутрь эргосферы - области пространства-времени, в которой тела обязаны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационным полем вращающейся темной дыры.
Столь необыкновенные характеристики темных дыр многим кажутся просто умопомрачительными, поэтому существование темных дыр в природе частенько ставится под колебание. Но, забегая вперед, отметим, что, согласно новым наблюдательным данным, темные дыры вправду есть и им присущи удивительные характеристики.

КАК ОБРАЗУЮТСЯ темные ДЫРЫ
понятно, что если масса ядра звезды, претерпевшего конфигурации химического состава из-за термоядерных реакций и состоящего в основном из частей группы железа, превосходит 1,4 солнечной массы M, но не превосходит трех солнечных масс, то в конце ядерной эволюции звезды происходит коллапс (быстрое сжатие) ядра, в итоге которого внешняя оболочка звезды, не затронутая термоядерными превращениями, сбрасывается, что приводит к явлению вспышки сверхновой звезды. Это приводит к формированию нейтронной звезды, в которой силам гравитационного притяжения противодействует градиент давления вырожденного нейтронного вещества. Большие силы давления вырожденного нейтронного вещества обусловлены тем, что нейтроны владеют полуцелым спином и подчиняются принципу Паули, согласно которому в данном энергетическом состоянии может находиться лишь один нейтрон.
При сжатии ядра звезды на поздней стадии эволюции температура поднимается до гигантских значений - порядка миллиарда кельвинов, поэтому ядра атомов разваливаются на протоны и нейтроны. Протоны поглощают электроны, преобразуются в нейтроны и испускают нейтрино. Нейтроны же, согласно квантовомеханическому принципу Паули, запрещающему им находиться в одинаковых состояниях, начинают при сильном сжатии эффективно отталкиваться друг от друга. В случае массы коллапсирующего ядра звезды меньше 3M скорости нейтронов существенно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная в основном эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивых нейтронных звезд. В случае мощных ядер звезд (m > 3M) скорости нейтронов значительны, силы отталкивания меж ними не могут уравновесить силы гравитации. В этом случае образующаяся нейтронная звезда, остывая коллапсирует, согласно имеющимся представлениям, в черную дыру. Поскольку при образовании нейтронной звезды радиус звезды миниатюризируется от 106 до 10 км, из условия сохранения магнитного потока следует, что магнитное поле нейтронной звезды радиусом 10 км может достигать совсем большой величины - порядка 1012 Гс. Радиус нейтронной звезды порядка 10 км, плотность вещества достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре.
отлично известные радиопульсары и рентгеновские пульсары как раз и представляют собой нейтронные звезды, причем число узнаваемых радиопульсаров достигает 700. Радиопульсары наблюдаются как источники строго периодических импульсов радиоизлучения, что связано с переработкой энергии быстрого вращения звезды в направленное радиоизлучение через посредство мощного магнитного поля. Рентгеновские пульсары светят за счет аккреции вещества в тесных двойных звездных системах: мощное магнитное поле нейтронной звезды направляет плазму на магнитные полюсы, где она сталкивается с поверхностью нейтронной звезды и разогревается в ударной волне до температур в десятки и сотни миллионов градусов. Это приводит к излучению рентгеновских квантов. Поскольку ось магнитного диполя не совпадает с осью вращения нейтронной звезды, рентгеновские пятна (их называют аккреционными колонками) при вращении нейтронной звезды то видны для земного наблюдающего, то экранируются телом нейтронной звезды, что приводит к эффекту маяка и парадоксу рентгеновского пульсара - строго периодической переменности рентгеновского излучения на временах от долей секунды до тыщ секунд. Периодические пульсации радио- либо рентгеновского излучения молвят о том, что у нейтронной звезды есть мощное магнитное поле (~ 1012 Гс), жесткая поверхность и быстрое вращение (периоды радиопульсаров достигают миллисекунд времени). У темной дыры строго периодических пульсаций излучения ждать не приходится, поскольку, согласно предсказанию общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, описывающей сильнейшие гравитационные поля, темная дыра не имеет ни жесткой поверхности, ни мощного магнитного поля.
Для звезд, массы стальных ядер которых в конце эволюции превосходят три солнечных, ОТО предсказывает неограниченное сжатие ядра (релятивистский коллапс) с образованием темной дыры. Это разъясняется тем, что силы гравитации, стремящиеся сжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества, достигаемых при сжатии ядра звезды (порядка миллиарда тонн в кубическом сантиметре), основной вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Выходит, что давление вещества при огромных плотностях как бы само "весит": чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Не считая того, при мощных гравитационных полях, согласно ОТО, стают принципиально необходимыми эффекты искривления пространства-времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды.
темные дыры с совсем большими массами (до миллиардов солнечных масс), по-видимому, есть в ядрах галактик, и в последние годы в наблюдательном исследовании сверхмассивных темных дыр наметился значимый прогресс в связи с внедрением космического телескопа им. Хаббла и внедрения способов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Не считая того, теория предсказывает возможность существования первичных темных дыр, образовавшихся в момент образования Вселенной. Мы ограничимся рассмотрением только темных дыр звездной массы, образовавшихся на конечных этапах эволюции мощных (с массами в десятки солнечных) звезд.
способы ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС темных ДЫР
понятно, что массу звезды можно измерить, если она входит в двойную систему. Следя движение звезд - компонент двойной системы и применяя законы Кеплера, вытекающие из закона тяготения Ньютона, можно измерить массы звезд. При этом, поскольку размеры орбиты двойной системы в миллионы раз больше гравитационных радиусов компонент, для определения масс звезд, в том числе и масс нейтронных звезд и темных дыр в двойных системах, вполне довольно использования закона тяготения Ньютона. Мы не рассматриваем тут вариант двойных радиопульсаров, где огромная точность определения моментов прихода радиоимпульсов дозволяет следить релятивистские эффекты (обусловленные ОТО) в движении пульсара, и по ним определять с высокой точностью массы пульсаров, и даже следить вековое укорочение орбитального периода двойной системы, обусловленное излучением потока гравитационных волн.
Оптическая звезда в двойной системе является не лишь пробным телом в гравитационном поле темной дыры, позволяющим измерить её массу, но также своеобразным донором, поставляющим вещество на соседний релятивистский объект (нейтронную звезду либо черную дыру). Аккреция этого вещества на релятивистский объект приводит к разогреву плазмы до температур в десятки и сотни миллионов градусов и к появлению массивного рентгеновского источника. Теоретическое предсказание массивного энерговыделения при несферической аккреции вещества на черную дыру было сделано в 1964 году Я.Б. Зельдовичем и Е.Е. Салпитером. Теория дисковой аккреции вещества на релятивистский объект в тесной двойной звездной системе развита в начале 70-х годов в работах Н.И. Шакуры и Р.А. Сюняева, Дж. Прингла и М. Риса, И.Д. Новикова и К.С. Торна.
новые ДАННЫЕ
найдена одна из ближайших к Солнечной системе темных дыр, которая образовалась в итоге старения и последующей смерти звезды класса голубой гигант. И в первый раз достаточно точно удалось вычислить её орбиту обращения вокруг нашей Галактики – Млечный Путь.

темная дыра была найдена благодаря тому, что “пожирала” вещество соседки – более малой звезды.
Открытие было сделано в итоге наблюдений радиотелескопов государственного Научного общества (VLBA), объединенных в систему радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой совместно со спутниками приема рентгеновского излучения Rossi.
подтверждением доказательства открытия послужили оптические снимки, сделанные на Паломарской Обсерватории (POSS). Это в первый раз, когда орбитальное движение темной дыры было измерено.
Результаты исследований были сообщены 13 сентября 2001 года в выпуске журнальчика “Природа”.
Объект именуется XTE J1118+480 и был найден спутником Rossi X- 29 марта 2000 года. Более поздние наблюдения в оптическом и радиодиапазоне проявили, что темная дыра отстоит на 6,000 световых лет от Земли и представляет собой бинарную систему, в которой она засасывает звездный газ из соседней звезды, формируя горячий крутящийся диск, напоминающий воронку водоворота в море. Этот процесс сопровождается выбросом субатомных частиц, которые испускают радиоволны.
большая часть звезд в нашей Галактике - Млечный Путь, находятся в пределах галактической плоскости. Но, также имеются шаровые звездные скопления, которые содержат сотни тыщ самых старых звезд в Галактике, и которые находятся вне плоскости Галактики. XTE J1118+480 подобно таковым шаровым скоплениям, перемещающимся со скоростью 145 км в секунду относительно Земли, совершает замысловатые петли вокруг Галактики. Эта темная дыра образовалась в итоге погибели массивной звезды, которая по классу была на уровне голубого гиганта. Такие звезды, когда полностью выработают свой ресурс, или взрываются как новейшие звезды, оставляя после себя ядро оболочки в виде нейтронной звезды, или кончают путь “гравитационным хлопком” сжатия, образуя черную дыру.
Эта темная дыра имеет массу, больше солнечной в 7 раз. Чтоб разогнаться до имеющейся скорости, ей потребовался толчок ускорения, который могла дать лишь гравитационная сила общей массы шарового звездного скопления, из которого она когда-то и была выброшена.
Расположенная неподалеку от Млечного Пути галактика Centeurus A имеет в собственном центре массивную черную дыру. Это удалось установить интернациональной команде астрономов из Южной Европейской Обсерватории, проводивших наблюдения с помощью телескопа VLT (Very Large Telescope) в Чили. Измерения дозволили найти массу темной дыры - около 200 миллионов масс Солнца. Галактика Centaurus A, популярная также как NGC 5128, удалена от Земли на 11 миллионов световых лет. Это один из самых изученных объектов Вселенной. Как галактика она была каталогизирована в 1847 году английским астроном Джоном Гершелем (John Herschel) и уже полтора века изучается с внедрением всего комплекса астрономических инструментов. О том, что в центре галактики находится темная дыра, подозревали давно, но никто не думал, что она так массивна.
 
Дж.Моран (J.Moran; Астрофизический центр в Кембридже, штат Массачусетс, США) утверждает, что ему удалось найти сверхмассивную черную дыру в центре очень удаленной от нас спиральной галактики NGC 4258, по результатам исследования массивного мазерного излучения, создаваемом молекулами воды газовых туч, которые подвергаются действию интенсивной радиации.
Сопоставляя скорость движения космических туч с их расположением, Моран установил, что они обращаются вокруг некоего центрального объекта, подобно планетам вокруг Солнца. По значениям скоростей удалось вычислить массу притягивающего центра: она оказалась близкой к 36 млн М*! Причем вся эта огромная масса сосредоточена в области, поперечник которой менее 1 светового года. Таковыми чертами может обладать лишь темная дыра.
Источники мазерного излучения находятся на окружающей галактику NGC 4258 наружной периферии диска (либо сферы - на этот счет посреди астрофизиков нет одного представления). но на столь значимых расстояниях, как в данном случае, более вероятна, по общему мнению, форма диска. Мазеры размещаются там по S-образной кривой; таковой изгиб, считает Моран, вызван давлением рентгеновского излучения от скопления сверхраскаленного газа, находящегося в центре данной системы.
исследование движения массивных мазеров поможет, по мнению Моргана, поиску свермассивных темных дыр. Наиблежайшим кандидатом он считает галактику NGC 1068, в которой, судя по наблюдаемым скоростям мазеров, может находиться темная дыра с массой, превышающей солнечную в 10 млн раз.

Что внутри у темной дыры

темной дырой именуется область пространства-времени, ограниченная горизонтом, то есть поверхностью, которую даже свет не может покинуть вследствие деяния гравитационных сил. Точка зрения теории относительности (ОТО) на темные дыры (и их внутреннюю структуру) состоит в следующем. Мы (по определению) не можем получить никакой информации из темной дыры, поэтому она для нас конкретно темная, то есть в рамках этого подхода вопрос о внутренней структуре темной дыры не является полностью корректным, т.К. Мы не можем произвести соответствующие измерения, а можем только предполагать что-то, не получая непосредственной информацию оттуда.

темная дыра (как мысль) сначало возникла в 18 веке благодаря работам Митчелла и Лапласа как предсказание в ньютоновской теории. Потом уже - как математическое решение ОТО. Для более обычный оценки радиуса горизонта темной дыры (как у Митчелла и Лапласа) довольно только положить вторую космическую скорость равной скорости света. Для случае крутящихся и заряженных темных дыр решения получаются уже лишь в рамках ОТО.

есть либо нет темные дыры во Вселенной, либо, все-таки, это только наша игра разума и математики - вопрос пока остается открытым. Сейчас есть более 10 кандидатов в темные дыры в тесных двойных системах и несколько десятков кандидатов в сверхмассивные темные дыры в ядрах галактик (в том числе и нашей). но, это только кандидаты, хотя и совсем отличные, и Нобелевская премия за открытие темных дыр пока никому не вручена. Но, оставив вопрос о физическом обосновании, никто не запрещает продлить решение вовнутрь темной дыры. Оказывается, что решение гладко длится под горизонт и заканчивается в точке, в которой одна из важнейших черт пространства - кривизна - становится равной бесконечности (как молвят "расползается"). Такое поведение и именуется сингулярностью, то есть областью, в которой не работает не лишь физика, но и математика.
В какой-то мере исследование сингулярностей можно считать физичным и в рамках ОТО, в особенности в свете недавних результатов о конечной стадии гравитационного коллапса. Дело в том, что несколько десятилетий назад была сформулирована "гипотеза космической цензуры", которая утверждает, что в обыкновенной Вселенной сингулярность может существовать, только закрытая от нас горизонтом, то есть в виде темной дыры. Так вот, не так давно в ходе численного анализа различных сценариев гравитационного коллапса было установлено, что при определенных начальных условиях (вполне физических, нужно отметить) процесс гравитационного коллапса может закончится возникновением "голой" сингулярности. В рамках ОТО аналитического ответа на этот вопрос пока нет.

У ОТО есть один совсем большой недочет - она не поддается процедуре квантования, в отличии от теорий других физических взаимодействий (электромагнитного, слабого и мощного). Поэтому создаются так называемые теории суперобъединения, в которые входит не сама ОТО, а какой-или (еще до конца не ясно, какой) вариант эффективной теории гравитации, включающий ОТО. С точки зрения идей квантовой механики, лежащей в базе объединения взаимодействий, вопрос о внутренней структуре вполне правомерен, потому что все пространство обязано описываться одной чертой - волновой функцией. В рамках этого нового подхода были открыты (в математическом плане, естественно) новейшие типы сингулярностей, которых нет в ОТО. Можно выделить свойства сингулярности, к примеру, по скорости, с которой кривизна расползается. В какой-то мере и горизонт событий темной дыры можно считать сингулярностью, но не истинной, потому что кривизна в этом случае конечна (расползается только один коэффициент), более того, эту сингулярность можно убрать после соответствующего преобразования координат.
темные дыры соединяются

Ученые открыли, что в одной галактике вполне могут сосуществовать две сверхмассивные темные дыры, которые в конечном итоге непременно соединятся в одну. Это событие будет сопровождаться таковыми выбросами энергии, что звезды будут вытеснены из центра галактики, где будет бушевать радиоактивное и гравитационное цунами.
Ученые давно знали, что в галактике NGC 6240 существует два ярких пятна, что зовутся ядрами. Поскольку центр галактики закрыт от обзора пылью, ученые направили в ту сторону телескоп Чандра, в надежде найти, является ли хоть какое из этих ядер активной сверхмассивной темной дырой. Каково же было их удивление, когда они сообразили, что оба объекта являются активными темными дырами.

Эта галактика находится от нас на расстоянии около 400 световых лет - достаточно близко по космическим масштабам и образовалась она в итоге столкновения двух галактик, которое началось 30 миллионов лет назад. Астрономы считают, что слияние галактик на самом деле происходит совсем мирно. Поскольку звезды расположены совсем редко, они практически не "чувствуют" происходящего. Сейчас пока центры сталкивающихся галактик лишь слегка гравитационно взаимодействуют. Но равномерно расстояние, равное сейчас 3 тыщам световых лет, будет уменьшаться. И тогда они безизбежно начнут взаимодействовать. Звезды, что вращаются вокруг центров, ускорят свое движение и вылетят из центра галактики. Когда темные дыры приблизятся на расстояние около одного светового года, они начнут соединяться. Тогда газ, крутящийся вокруг темных дыр разогреется до таковых температур, что начнет излучать радиоактивные волны. В конце концов поле радиоактивности уничтожит все объекты, находящиеся вокруг ядер, что даст возможность обозревать ядро. Ни одна звезда не уцелеет в поле влияния более массивной темной дыры после того, как они соединятся.
Ученые также выстроили компьютерную версию того, что происходит сейчас в галактике NGC 362. До этого астрономы никогда не видели двойных темных дыр. Это наводило их на мысли, что такового явления, как двойная темная дыра не бывает, что темные дыры соединяются в одну. Не так давно они получили подтверждение этого: джеты, испускаемые темными дырами в объекте, известном под номером NGC 362, сместились. Это говорит о том, что темные дыры в сталкивающихся галактиках "ощутили" существование друг друга.

перечень использованной литературы:
1. Новиков И.Д. Темные дыры и Вселенная. М.: Мол. Гвардия, 1985.
2. Липунов В.М. В мире двойных звезд. М.: Квант, 1986.
3. Черепащук А.М. Мощные тесные двойные системы. Земля и Вселенная. 1985. № 1.
С. 16-24.
4. Лютый В.М., Черепащук А.М. Оптические исследования рентгеновских двойных систем // Там же. 1986. № 5. С. 18-25.
5. Черепащук А.М. Темные дыры: новейшие данные // Там же. 1992. № 3. С. 23-30.
6. Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. М.: Бюро "Квантум", 1995. 106 с.








 
Еще рефераты и курсовые из раздела
Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела - билеты
Содержание Введение 1. Сравнительный анализ ЭРДУ 1.1 Применение ЭРД 1.2 Применение РИД 1.3 Общие достоинства РИД 1.4 Радиочастотный ионный движитель...

Седьмая планета солнечной системы - Уран
Содержание Введение Из греческой мифологии История открытия Урана Общие сведения Химический состав, физические условия и строение Урана. Особенности...

Энергия Солнца
Энергия Солнца. Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые находили веками, и лишь в начале XX века было...

Древние обсерватории
Введение Возникновение астрономических знаний принято относить к «седой древности». Скопление этих знаний, согласно более распространенному сценарию, стимулировалось...

Теория развития Вселенной
Одним из важнейших революционных сдвигов естествознания XX века является прочно вошедшая в арсенал современного естествознания мысль эволюции материи на всех уровнях, мысль развития...