Презентация на тему "История открытия и изучения чёрных дыр"

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ЧЁРНЫХ ДЫР

Это область пространства-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.

Предыстория появления теории о существовании чёрных дыр

Концепция массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, необходимая для преодоления этого притяжения, равна или превышает скорость света, впервые была высказана в 1784 году Джоном Мичеллом в письме, которое он послал в Королевское общество. Письмо содержало расчёт того, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым.

Через 13 лет французский математик и астроном П.С. Лаплас высказал аналогичную гипотезу о существовании подобных экзотических объектов. Лаплас нашел радиус шара для заданной его плотности, на поверхности которого параболическая скорость равна скорости света. По мнению Лапласа, корпускулы света, будучи тяготеющими частицами, должны задерживаться испускающими свет массивными звездами, которые имеют плотность, равную плотности Земли, а радиус больше солнечного в 250 раз.

Джон Мичелл

П.С. Лаплас

В 1930-х годах Чедвик открыл нейтрон. Вскоре была высказана гипотеза о существовании нейтринных звезд, которые при больших массах оказываются неустойчивыми и сжимаются до состояния коллапса. Одним из первых идею высказал советский физик Ландау, но наиболее точные расчеты представили американцы Оппенгеймер (будущий автор атомной бомбы), Волков и Шнайдер. Но свойства пространства и времени в окрестности этих объектов оказались столь необычными, что астрономы и физики в течение 25 лет не относились к ним серьезно. Термина "черная дыра" все еще не было. Склонные к поэтическому мышлению физики иногда говорили о "застывшей звезде". 

И только в конце 1960-х американец Джон Уилер произнес "черная дыра". Это точка в пространстве, где под воздействием гравитационных сил исчезают материя и энергия. В этом месте гравитационные силы настолько велики, что все оказывающееся поблизости буквально засасывается внутрь. Даже световые лучи не могут вырваться оттуда, поэтому черная дыра абсолютно невидима. Обнаружить "черную дыру" можно по специфическому рентгеновскому излучению, которое образуется, когда она засасывает в себя вещество. В 1970-х американский спутник "Ухуру" зафиксировал специфическое рентгеновское излучение. С тех пор "черная дыра" существует не только в расчетах. Именно за эти исследования Нобелевскую премию 2002 года получил Риккардо Джаккони.

гамма-вспышка Swift J1644+57

Релятивистская теория тяготения была создана, в основном, Эйнштейном (сформулировавшим её окончательно к концу 1915 года)  и получила название общей теории относительности (ОТО). Именно на ней и основывается современная теория астрофизических чёрных дыр. По своему характеру ОТО является геометрической теорией. Она предполагает, что гравитационное поле представляет собой проявление искривления пространства-времени. Связь искривления пространства-времени с характером распределения и движения заключающихся в нём масс даётся  уравнениями Эйнштейна*.

*Уравне́ния Эйнште́йна  — уравнения гравитационного поля в общей теории относительности, связывающие между собой метрику искривлённого пространства-времени со свойствами заполняющей его материи. 

Стационарные решения для чёрных дыр в рамках ОТО, дополненной известными материальными полями, характеризуются только тремя параметрами: массой, моментом импульса  и электрическим зарядом , которые складываются из соответствующих характеристик вошедших в чёрную дыру при коллапсе и упавших в неё позднее тел и излучений.

Решение Шварцшильда (1916 год) — статичное решение для сферически-симметричной чёрной дыры без вращения и без электрического заряда. 
Решение Рейснера — Нордстрёма (1916 год) — статичное решение сферически-симметричной чёрной дыры с зарядом, но без вращения. 
Решение Керра (1963 год) — стационарное, осесимметричное решение для вращающейся чёрной дыры, но без заряда. 
Решение Керра — Ньюмена (1965 год)— наиболее полное на данный момент решение: стационарное и осесимметричное, зависит от всех трёх параметров.

Решения для чёрных дыр крайне сложны. Считается, что наибольшее значение имеет решение Керра, т. к. заряженные чёрные дыры должны быстро терять заряд, притягивая и поглощая противоположно заряженные ионы и пыль из космического пространства.

аккреционный диск горячей плазмы, вращающийся вокруг чёрной дыры (согласно решению Шварцшильда)

оптическое искажение аккреционного диска вокруг чёрной дыры

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры: 
Гравитационный коллапс* достаточно массивной звезды на конечном этапе её эволюции. 
Коллапс центральной части галактики или протогалактического 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.
Формирование чёрных дыр в момент сразу после 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.

Стрелец A. Изображение было снято с помощью Чандра, рентгеновской обсерватории НАСА.

*Гравитацио́нный колла́пс — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил.

Чёрная дыра NGC 300 X-1

Изучение термодинамики и испарения чёрных дыр

Представления о чёрной дыре как об абсолютно поглощающем объекте были скорректированы А. А. Старобинским и Я. Б. Зельдовичем в 1974 году — для вращающихся чёрных дыр, а затем, в общем случае, С. Хокингом в 1975 году.

Изучая поведение квантовых полей вблизи чёрной дыры, Хокинг предположил, что чёрная дыра обязательно излучает частицы во внешнее пространство и тем самым теряет массу. Этот эффект называется излучением Хокинга. Упрощённо говоря, гравитационное поле поляризует вакуум, в результате чего возможно образование не только виртуальных, но и реальных пар частица-античастица. Одна из частиц, оказавшаяся чуть ниже горизонта событий, падает внутрь чёрной дыры, а другая, оказавшаяся чуть выше горизонта, улетает, унося энергию (то есть часть массы) чёрной дыры. Предположительно, состав излучения зависит от размера чёрной дыры: для больших чёрных дыр это
в основном безмассовые фотоны и лёгкие нейтрино, а в спектре
лёгких чёрных дыр начинают присутствовать и тяжёлые частицы. 

Испарением чёрных дыр звёздных (и тем более галактических) масштабов можно пренебречь, однако для первичных и в особенности для квантовых чёрных дыр процессы испарения становятся центральными. В то же время, большие чёрные дыры, температура которых ниже температуры реликтового излучения Вселенной (2,7 К), на современном этапе развития Вселенной могут только расти, так как испускаемое ими излучение имеет меньшую энергию, чем поглощаемое.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ