Черные дыры Масса нейтронной звезды не может превышать трехкратной массы Солнца. При сжатии более массивной звезды может образоваться черная дыра, поле тяготения в которой настолько сильно, что не выпускает из себя даже свет. Предполагается, что вещество в черной дыре

Глава 8. Черные дыры – монстры вселенной Таинственные «провалы» В последние десятилетия двадцатого столетия астрономы обнаружили в бескрайних просторах Вселенной немало удивительных объектов. Это – и пульсары, и квазары, и нейтронные звезды. Но, наверное, самым

Странный мир черной дыры Выяснив, как появляется черная дыра, астрофизики пытаются также заглянуть и вовнутрь этого космического монстра. И кое-какую информацию им удалось получить. Конечно же, с помощью теоретических моделей.Так, исследователи выяснили, что черная дыра

Есть ли во Вселенной белые дыры? Тем, кто хотя бы немного знаком с теорией относительности Эйнштейна, известно, что ее уравнения применимы, когда время направлено как вперед, в будущее, так и назад, в прошлое.И хотя в понимании физиков понятие «течение времени» – выражение

Существуют ли белые дыры? Во вращающихся сверхмассивных черных дырах, как полагают некоторые астрофизики, образуется неприметная вроде бы трещинка – туннель, ведущий в так называемую белую дыру. В той черной дыре, что разрастается посреди Млечного Пути, она тоже

Перегруженные сцены и «черные дыры» Моя самая большая проблема состоит в том, что я могу начать записывать на карточки не только фактические эпизоды истории, но и много что еще. Это особенно актуально в самом начале пути, когда я выстраиваю установочные сцены и действие

Озоновые дыры Наблюдения за составом воздуха проводятся давно, уже не первое десятилетие. И по мере того, как появляются новые способы и методы наблюдений, мы узнаем все больше нового, интересного и часто – важного. В частности, наблюдения со спутников показали, что с

Проблема барионной симметрии давно занимает физиков, поскольку без такой асимметрии существование звезд, планет, людей и многого другого было бы невозможно. Текст соответствующей работы доступен на сервере препринтов Корнелльского университета.

Из имеющихся представлений о законах природы неясно, как в ней могло возникнуть явно наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом. В то же время вопрос этот явно ключевой для эволюции Вселенной в известном нам виде. Не будь обычного вещества много больше, каждый антиатом прореагировал бы с атомом, и вся Вселенная превратилась бы в гамма-фотоны, из которых, разумеется, не могли бы возникнуть небесные тела.

Авторы рассматривают возможные последствия распада первичных черных дыр для баланса вещества и антивещества в ранней Вселенной. Первичными черными дырами называют до сих не открытые, но постулируемые рядом научных групп объекты, которые имеют массу сильно меньше одной солнечной и, как считается, возникли в первую секунду после Большого взрыва.

Такие черные дыры, в случае если они имеют достаточно низкую массу, должны быстро испаряться (крупные черные дыры, напротив, испаряются крайне медленно, зато окружающее вещество поглощают быстро, что и обеспечивает их длительное существование). Исследователи показывают, что если испарение черных дыр произошло в эпоху до остывания Вселенной, когда она была насыщена главным образом излучением, то никакого особого влияния на ее эволюцию такое испарение оказать не могло. Однако, если первичные ЧД испарились несколько позже, когда пространство-время уже в основном было заполнено веществом, а не излучением, ситуация резко изменяется.

При испарении черных дыр кроме фотонов должны возникать еще электроны и позитроны (антиэлектроны). Электроны и антиэлектроны должны аннигилировать и порождать новые фотоны высоких энергий. В итоге количество фотонов во Вселенной, по расчетам авторов, должно было стать огромным. Настолько, что та временно вернулась бы в состояние, при котором в ней доминирует излучение.

Это достаточно неожиданный вывод. Если такой сценарий осуществлялся на практике, то ранняя история Вселенной протекала не так, как ее представляли раньше - вместо одной эпохи доминирования излучения было две, и причиной начала второй эпохи стало испарение черных дыр (на конечном этапе выглядящее как взрыв крошечной черной дыры). В таком случае наблюдаемая сейчас барионная асимметрия была сильно разбавлена последующей второй эпохой доминирования излучения, и, следовательно, причины возникновения барионной асимметрии Вселенной также могут несколько отличаться от тех, что считались возможными ранее.

Курсовая работа

по дисциплине

«Квантовая теория и статистическая физика»

Черные дыры. Эффект Хоккинга.

Испарение чёрных дыр.

Введение.

Среди великого разнообразия небесных тел особое место занимает класс объектов, называемых черными дырами (ЧД). Их поле тяготения столь велико, что никакая частица, включая частицу (квант) света, не может вырваться изнутри такого объекта и уйти на бесконечность. Поэтому его поверхность действует как своего рода клапан, пропускающий вещество лишь в одну сторону – внутрь ЧД (отсюда и это название: вещество валится в ЧД как в дыру, а свет из нее выйти не в состоянии). Это уникальное свойство черных дыр прямо ведет к уникальному факту – внешнему наблюдателю оно представляется как горячее тело, служащее источником теплового излучения. Это и другие тепловые свойства черных дыр описываются специальной теорией – термодинамикой черных дыр.

Черные дыры.

Еще в 1795 г. великий французский математик Пьер-Симон Лаплас теоретическим путем пришел к выводу, что свет не может уйти от тела, если оно достаточно массивно или достаточно сильно сжато. Даже из ньютоновской теории следует, что если скорость убегания для какого-либо объекта превышает величину скорости света, то этот объект для внешнего наблюдателя будет казаться абсолютно черным. Но на протяжении почти двухсот лет никому не приходило в голову, что в природе могут действительно существовать черные дыры. Однако к середине 1960-х годов астрофизикам удалось рассчитать подробно структуру звезд и ход их эволюции. Теперь, зная больше, астрономы отчетливо понимают, что не может существовать устойчивых мертвых звезд, масса которых превышала бы три солнечные массы. Поскольку во Вселенной звезды, обладающие намного большими массами, - широко распространенное явление, астрофизики стали всерьез обсуждать возможность существования черных дыр, рассеянных повсюду во Вселенной.

Черная дыра - это один из трех возможных вариантов конечной стадии эволюции звезд. Однако в отличие от белых карликов и нейтронных звезд черная дыра - это пустое место. Это то, что остается после катастрофического гравитационного коллапса массивной звезды, когда она умирает. При коллапсе - катастрофическом сжатии звезды - напряженность силы тяготения над ее поверхностью становится настолько чудовищно большой, что окружающее звезду пространство-время свертывается, и звезда исчезает из Вселенной; остается только исключительно сильно искривленная область пространства-времени.

Небесные тела со свойствами черных дыр рассматривались в рамках механики Ньютона еще в XVIII веке как объекты, вторая космическая скорость которых, превышает скорость света c. Здесь G – постоянная тяготения, M – масса объекта, R – его радиус. Приведенному условию удовлетворяет объект, масса которого сконцентрирована в очень малом объеме с радиусом

(1)

где – гравитационный радиус тела, – масса Солнца. Сферу радиуса называют горизонтом событий: именно ею ограничено поле зрения внешнего наблюдателя, лишенного информации о ее внутренней части. Условие (1) оказалось справедливым и в рамках общей теории относительности.

Для подавляющей части небесных тел условие (1) нарушено. Так, для Солнца (радиус 7· км) и Земли (масса 6· г, радиус 6· км) величина составляет соответственно всего 3 км и ~1 см. Еще контрастнее соответствующие цифры для земных объектов. Поэтому черная дыра возникает лишь при крайне необычных условиях сверхвысокой плотности вещества. Такие условия имеются прежде всего на конечном этапе эволюции звезд с массой, превышающей примерно 3; неудержимое гравитационное сжатие такой звезды – коллапс – ведет в конечном счете к выполнению условия (1) и к образованию черной дыры звездной массы. Массы таких объектов лежат в диапазоне от 3 до 100 . Более тяжелые массивные и сверхмассивные черные дыры с массами до возникают в результате коллапса больших масс газа в центрах шаровых скоплений, в ядрах галактик и в квазарах. Легкие черные дыры с массами до 3 могли бы образоваться в результате нарастания флуктуаций плотности сверхсжатого вещества ранней Вселенной (первичные ЧД).

Абсолютно твердых доказательств существования черных дыр в космосе пока нет. Однако большинство ученых сходится во мнении, что рентгеновские источники в некоторых двойных системах представляют собой звездные черные дыры, а активность многих (если не всех) ядер галактик и квазаров – результат существования массивных и сверхмассивных черных дыр в центрах этих объектов.

Предшественник черной дыры (массивная звезда, газ, флуктуация плотности) обладает множеством наблюдаемых параметров, относящихся как к его глобальным свойствам, так и к характеристикам его внутреннего строения. Информация о подавляющей части таких параметров теряется внешним наблюдателем в процессе образования черной дыры, которая не выпускает из себя никаких сигналов, характеризующих состав и структуру вещества, распределение электрических токов и пр. Этот факт образно описывают словами: черная дыра не имеет волос. Фактически наблюдатель может измерить лишь такие глобальные характеристики черной дыры, как ее масса M , вращательный момент m и полный электрический заряд Q .

Эффект Хокинга

Нарисованная картина черной дыры носит классический, неквантовый характер. Квантовая механика вносит в нее некоторые коррективы: при сохранении горизонта событий черная дыра перестает быть "черной", становясь источником излучения. Природа этого излучения та же, что и у электронно-позитронных пар, рождаемых сильным электрическим полем, которое увеличивает энергию виртуальных (короткоживущих) пар в вакууме, превращая их в реальные (долгоживущие). Аналогичным образом рождает пары (в том числе и пары фотонов) и сильное поле тяготения черной дыры, действующее на частицы любого сорта. Одна из компонент пары становится реальной частицей снаружи (и вблизи) горизонта событий и, имея положительную энергию, может уйти в бесконечность; другая частица появляется внутри (и вблизи) горизонта и падает с отрицательной энергией внутрь черной дыры (см. рис. 1). В итоге черная дыра становится источником непрерывного потока частиц, уходящего в бесконечность. При формировании такого излучения никакая частица не пересекает горизонта событий, который тем самым по-прежнему обладает свойствами клапана.

Рис. 1. Рождение пар частиц в гравитационном поле черной дыры. а – горизонт событий, область черной дыры заштрихована

В 1974-1975 годах английский теоретик С. Хокинг проводил вычисления характеристик излучения черных дыр, руководствуясь нарисованной выше физической картиной. Он обнаружил, что свойства такого излучения в точности такие же, как у излучения горячего черного тела радиуса нагретого до температуры (в кельвинах)

T ≈ 0,5· (/M). (2)

В описанном явлении, которое называют эффектом Хокинга, температура обратно пропорциональна массе. В процессе излучения масса черной дыры уменьшается, а ее температура растет, что усиливает излучение и тем самым ускоряет убыль массы. Поэтому со временем черная дыра "разгорается", ее температура быстро растет и за конечное время (в секундах)

t ≈ (3)

Черная дыра прекращает существование, исчерпав всю свою массу.

Существенно, что последние мгновения перед исчезновением черной дыры будут протекать в режиме мощного взрыва с выделением энергии порядка эрг за время около 0,1 с. Такие взрывы можно было бы наблюдать и на большом расстоянии от Земли. Это не относится к звездным и тем более к массивным и сверхмассивным черным дырам: уже при массе, равной солнечной, температура составляет ничтожные доли градуса, а время жизни ЧД намного больше времени существования Вселенной (см. формулы (2), (3)). Поэтому взрываться в нашу эпоху способны лишь первичные черные дыры с массой около 1015 г (масса средней горы). К сожалению, такие взрывы до сих пор не наблюдались.

Как не впечатляющи следствия эффекта Хокинга, с точки зрения теории наибольший интерес представляет природа теплового характера черных дыр – имеем ли мы здесь дело с чисто случайным сходством или же по каким-то причинам черная дыра действительно представляет собой горячее тело.

Заключение

Существование черных дыр, предсказанных в их современном понимании общей теорией относительности, с большой долей вероятности уже подтверждено наблюдениями. Если эта вероятность превратится в полную уверенность, то роль черных дыр как источников активности ядер галактик и квазаров позволит считать их важнейшим элементом мироздания. Не исключено, что еще не открытые первичные черные дыры, если они действительно существуют, имеют куда большую значимость для космофизики, чем это кажется сегодня.

Однако уже сейчас можно говорить и о совсем иной, общефизической, роли черных дыр, обогативших наши общие представления о неорганическом мире. Появление черных дыр как продукта теоретической мысли подняло на новый уровень наше понимание теплоты. С XVIII - XIX века – времени победы кинетической теории над теорией теплорода – наука знала единственный механизм появления тепла – хаотизацию движения частиц, обладающих запасом кинетической энергии. Такой механизм проявляется при трении двух кусков дерева, с помощью чего наши предки добывали огонь, и при химических и ядерных реакциях. С наиболее общей, информационной точки зрения появление тепла во всех таких случаях отвечает утрате микроскопической информации о состоянии частиц горячего тела.

Физика черных дыр указала новый механизм возникновения тепла, когда информация о внутреннем состоянии черной дыры "отсекается" от наблюдателя мощными силами тяготения (а сам этот объект может быть уподоблен "черному ящику" – так в кибернетике называют устройство с неизвестной внутренней структурой). Этот новый механизм действует по схеме:

черная дыра → черный ящик → черное тело

А также имеет дело с хаосом, которому отвечает равновероятность (с точки зрения внешнего наблюдателя) различных микросостояний внутренней части черной дыры с заданными значениями массы, момента и заряда.

Испарение чёрных дыр

Испарение чёрной дыры - квантовый процесс. Дело в том, что понятие о чёрной дыре как объекте, который ничего не излучает , а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты . В квантовой же механике, благодаря туннелированию , появляется возможность преодолевать потенциальные барьеры , непреодолимые для неквантовой системы. Утверждение, что конечное состояние черной дыры стационарно, верно лишь в рамках обычной , не квантовой теории тяготения . Квантовые эффекты ведут к тому, что на самом деле чёрная дыра должна непрерывно излучать, теряя при этом свою энергию.

В случае чёрной дыры ситуация выглядит следующим образом. В квантовой теории поля физический вакуум наполнен постоянно рождающимися и исчезающими флуктуациями различных полей (можно сказать и «виртуальными частицами »). В поле внешних сил динамика этих флуктуаций меняется, и если силы достаточно велики, прямо из вакуума могут рождаться пары частица-античастица . Такие процессы происходят и вблизи (но всё же снаружи) горизонта событий чёрной дыры. При этом возможен случай, когда полная энергия античастицы оказывается отрицательной, а полная энергия частицы - положительной. Падая в чёрную дыру, античастица уменьшает её полную энергию покоя , а значит, и массу, в то время как частица оказывается способной улететь в бесконечность. Для удалённого наблюдателя это выглядит как излучение чёрной дыры.

Важным является не только предсказываемый факт излучения, но и то, что это излучение имеет тепловой спектр (для безмассовых частиц). Это значит, что излучению вблизи горизонта событий чёрной дыры можно сопоставить определённую температуру

где - постоянная Планка , разделенная на , c - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана , G - гравитационная постоянная , и, наконец, M - масса чёрной дыры. При этом не только спектр излучения (распределение его по частотам), но и более тонкие его характеристики (например, все корреляционные функции) точно такие же, как у излучения черного тела. Развивая теорию, можно построить и полную термодинамику чёрных дыр .

Однако такой подход к чёрной дыре оказывается внутренне противоречивым и приводит к проблеме исчезновения информации в чёрной дыре . Причиной этого является отсутствие успешной теории квантовой гравитации . Существование излучения Хокинга предсказывается не всеми квантовыми теориями. и оспаривается рядом исследователей

Обнаружение

Точку в споре о существовании эффекта должны были бы поставить наблюдения, однако температуры известных астрономам чёрных дыр слишком малы, чтобы излучение от них можно было бы зафиксировать - массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор эффект не подтверждён наблюдениями.

См. также

Примечания и ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Излучение Хокинга" в других словарях:

Процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц. В подавляющем большинстве случаев под излучением понимают электромагнитное излучение, которое в свою очередь можно разделить по источникам излучения на тепловое излучение,… … Википедия

Эффект Унру (излучение Унру) предсказываемый квантовой теорией поля эффект наблюдения планковского излучения в ускоряющейся системе отсчёта при отсутствии этого излучения в инерциальной системе отсчёта. Другими словами, ускоряющийся наблюдатель… … Википедия

Излучение Хокинга процесс испускания разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов, чёрной дырой. В силу закона сохранения энергии, этот процесс сопровождается уменьшением массы чёрной дыры, т. е. её «испарением». Предсказан… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Чёрная дыра (значения). Изображение, полученное с помощью телескопа «Хаббл»: Активная галактика M87. В ядре галактики, предположительно, находится чёрная дыра. На сни … Википедия

Запрос «Хокинг» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Стивен Уильям Хокинг Stephen William Hawking Дата рождения: 8 января 1942 … Википедия

Хокинг, Стивен Уильям Запрос «Хокинг» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Стивен Уильям Хокинг Stephen William Hawking Дата рождения: 8 января … Википедия - В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия