Презентация на тему " Гравитационный коллапс и черные дыры"

Гравитационный коллапс и черные дыры

Исследовательская работа

по астрономии

ученика 10 класса

Дубоссарской РСОШ № 5

Сывак Александра

Руководитель: учитель физики и астрономии

Скороходова С.Н

Цель моей исследовательской работы заключается

в систематизации и изучении информации о черных дырах, с целью раскрытия сущности образования, существования и эволюции черных дыр, изучении процессов, происходящих внутри черной дыры и вне ее, раскрытии проблем, возникающих при изучении черных дыр, методов обнаружения черных дыр.

Задачи

• Изучить историю возникновения и теоретического обоснования существования черных дыр;
• Осветить последние новости в области исследования чёрных дыр;
• Описать феномены, связанные с чёрными дырами;
• Выяснить трудности, связанные с открытием чёрных дыр.

Проблема :изучение фундаментальных свойств пространства-времени.

Объект исследования: процессы, происходящие в условиях гравитационного коллапса.

Методы исследования: анализ , сравнение, обобщение научной литературы.

Тема черных дыр является одной из актуальнейших тем современной астрономии,астрофизики,космологии.Изучая фундаментальные свойства материи и пространства-времени, физики считают исследование черных дыр одним из важнейших направлений, поскольку вблизи черных дыр проявляются скрытые свойства гравитации.

ХХ век принес с собой множество удивительных открытий в самых разнообразных областях человеческих знаний, причем большинство из них с трудом укладывается в наши обыденные представления об окружающем мире. К числу таких явлений, оказавшихся в центре внимания современной науки относятся и черные дыры .

Концепция массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что вторая космическая скорость равна или превыша- ет скорость света впервые бы- ла высказана в 1784 году. Английский геофизик и астро ном Джон Мичелл (1724–1793) используя законы Ньютона, предположил, что в

природе могут существовать

столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Так родилась концепция «ньюто- новской” черной дыры.

Такую же идею высказал в своей книге Система мира (1796) французский математик и астроном Пьер- Симон Лаплас.

Пьер-Симон Лаплас

Сам термин “черная дыра” был введен в 1968 г. американским физиком Дж. Уилером. К образованию черной дыры, или сверхплотного тела, приводит гравитационное сжатие (неограниченный гравитационные коллапс массивных космических тел).

• Коллапс гравитационный -

катастрофически быстрое сжатие

Космических тел под действием гравитационных

сил ,так что у их поверхности гравитационный

Потенциал по величине сравним с квадратом ско

Рости света

.

Черные дыры, предсказанные общей

теорией относительности (теорией

гравитации, предложенной

Эйнштейном в 1915) и другими,

более современными теориями

тяготения, были математически

обоснованы Р.Оппенгеймером и

Х.Снайдером в 1939. 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. Однако астрономические открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры как на возможную физическую реальность. Их открытие и изучение может принципиально изменить наши представления о пространстве и времени.

Черные дыры, предсказанные общей теорией относительности (теорией гравитации, предложенной Эйнштейном в 1915) и другими, более современными теориями тяготения, были математически обоснованы Р.Оппенгеймером и Х.Снайдером в 1939. 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. Однако астрономические открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры как на возможную физическую реальность. Их открытие и изучение может принципиально изменить наши представления о пространстве и времени.

Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если удаленный наблюдатель бросит в сторону черной дыры зажженный фонарь, то увидит, как фонарь будет падать все быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к поверхности Шварцшильда, начнет замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть (поскольку замедлится темп колебания всех его атомов и молекул).

Самый очевидный путь образования черной дыры – коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением.

Образование черных дыр

Существует гипотетическая возможность рождения микроскопических черных дыр при взаимных соударениях быстрых элементарных частиц. Таков один из прогнозов теории струн –КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ ГРАВИТАЦИИ. Теория струн предсказывает, что пространство имеет более трех измерений.

Так как черные дыры являются локальными и относительно компактными образованиями, то космологической постоянной можно пренебречь. Тогда стационарные решения для чёрных дыр характеризуются тремя параметрами:

• массой (M),
• массой (M),
• массой (M),
• массой (M),
• массой (M),

• моментом вращения (J), электрическим зарядом (Q).
• моментом вращения (J), электрическим зарядом (Q).
• моментом вращения (J), электрическим зарядом (Q).
• моментом вращения (J),
• электрическим зарядом (Q).

Любая черная дыра стремится в отсутствии внешнего

Любая черная дыра стремится в отсутствии внешних воздействий стать стационарной. А у невозмущенной снаружи черной дыры только эти три характеристики

Теоретически возможность существования таких областей пространства – времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна

Из многих аспектов термодинамики черной дыры выделим две проблемы : квантовое излучение черной дыры и тепловую атмосферу черной дыры . Представление о черной дыре, как об абсолютно поглощаю-щем объекте, были скорректированы С.Хокингом в 1975 году.

Попытки обнаружить невидимые массивные спутники в двойных звездах не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры активно проявляют себя в тесных двойных системах, где они отбирают вещество у соседней звезды и поглощают его, нагревая при этом до температуры в миллионы градусов и делая его на короткое время источником рентгеновского излучения.

Телескоп

Хаббл

Учитывая важнейшие свойства черных дыр (массивность, компактность и невидимость) астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить черную дыру по ее гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например, с близкими звездами.

Гравитационное поле черной дыры вызывает быстрое вращение газа, находящегося на орбите вблизи ее границы. Поэтому современная наука использует в их поисках гамма-телескопы.

Гамма-телескоп HESS

Другим направлением поиска черных дыр служит изучение ядер галактик. В них скапливаются и уплотняются огромные массы вещества, сталкиваются и сливаются звезды, поэтому там могут формироваться сверхмассивные черные дыры, превосходящие по массе Солнце в миллионы раз.

Вращающаяся Галактика

Открытие реальных черных дыр имело бы фундаментальное теоретическое значение, представляющее первостепенный интерес для понимания физики Вселенной, фундаментальных свойств материи , пространства-времени.

На основании изученного мною материала можно сделать следующие выводы:

В современной астрофизике по вопросу о реальном существовании черных дыр во Вселенной и их роли в различных космических процессах существуют различные мнения , приводящие к противоречиям: между теорией относительности и квантовой теорией; между квантовой теорией и теорией гравитационного поля; исчезновение информации в черной дыре представляет серьезную проблему , стоящую перед квантовой гравитацией, поскольку оно несовместимо с общими принципами квантовой механики ; конечное состояние черной дыры стационарно лишь в рамках обычной не квантовой теории тяготения(квантовые эффекты ведут к непрерывному излу-чению энергии черной дыры);квантовая теория гравита-ции должна ответить на вопрос ,что останется от черной дыры в финале испарения ; неизвестно доказательство в

общем случае «теоремы об отсутствии волос» у черных дыр ; неизвестна формула для вычисления числа различных состояний системы, коллапс которых приводит к возникновению черной дыры заданной массы, количества движения и заряда ; отсутствует полная и законченная теория магнитосферы черной дыры.

Поэтому обнаружение во Вселенной реальных черных дыр и изучение их свойств явилось бы очень важной проверкой всех существующих теорий. «…при движении в неизведанной области только достигнутый успех подтверждает правильность выбранного пути» В.Л.Гинзбург. Несмотря на весь прогресс , достигнутый в их изучении , природа пространства и времени черных дыр в большой мере остается загадочной . Некоторые аспекты этой проблемы еще выглядят как научные забавы, интересные только специалистам. Изучение черных дыр продолжается …

Проведенный анализ информированности учащихся нашей школы по вопросу существования черных дыр показал : повышенный интерес к данной теме, но недостаточную информированность. Поэтому собранный материал можно использовать при проведении уроков физики ,конференций и т.д.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ