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

, чёрной дырой . В силу энерги и" href="http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D1%81%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D0%B8">закона сохранения энерги и , этот процесс сопровождается уменьшением массы чёрной дыры, т. е. её «испарением». Предсказан теор етически Стивеном Хокингом в году. Работе Хокинга предшествовал его визит в Москву в 1973 году, где он встречался с советскими учеными Яковом Зельдовичем и Александром Старобинским. Они продемонстрировали Хокингу, что в соответствии с принципом неопределенности квантовой механики вращающиеся чёрные дыры должны порождать и излучать частицы.

Испарение чёрной дыры - чисто 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 Потенциал ьный барьер" href="http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B1%D0%B0%D1%80%D1%8C%D0%B5%D1%80">потенциал ьные барьеры , непреодолимые для неквантовой системы.

В случае чёрной дыры ситуация выглядит следующим образом. В квантовой теор ии 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 энерги я античастицы оказывается отрицательной, а полная энерги я частицы - положительной. Падая в чёрную дыру, античастица уменьшает её полную энерги ю 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 факт излучения, но и то, что это излучение имеет тепловой спектр . Это значит, что излучению вблизи горизонта событий чёрной дыры можно сопоставить определённую температуру

где - постоянная Планка , c - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана , G - гравитационная постоянная , и, наконец, M - масса чёрной дыры. Развивая теор ию, можно построить и полную термодинамику чёрных дыр .

Однако, такой подход к чёрной дыре оказывается в противоречии с квантовой механикой и приводит к проблеме исчезновения информации в чёрной дыре .

До сих пор эффект не подтверждён наблюдениями. Согласно ОТО , при образовании Вселенной должны были родиться первичные чёрные дыры, некоторые из которых (с начальной массой 10 12 кг) должны заканчивать испаряться в наше время . Так как интенсивность испарения растёт с уменьшением размера чёрной дыры, то последние стадии должны быть по сути взрывом чёрной дыры. Пока таких взрывов зарегистрировано не было.

Экспериментальное подтверждение

Физик Джефф Штейнхауэр (Jeff Steinhauer) из Израильского технологического института в Хайфе зафиксировал излучение, предсказанное Стивеном Хокингом еще в 1974 году. Ученый создал акустический аналог черной дыры и показал в экспериментах, что от нее исходит излучение, имеющее квантовую природу. Статья опубликована в журнале Nature Physics, кратко об исследовании сообщает BBC News.
...Зафиксировать это излучение на настоящей черной дыре пока не представляется возможным, поскольку оно слишком слабое. Поэтому Штейнхауэр использовал ее аналог - так называемую «глухую дыру». Для моделирования горизонта событий черной дыры он взял конденсат Бозе-Эйнштейна из охлажденных до близких к абсолютному нулю температур атомов рубидия.
Скорость распространения звука в нем очень мала - около 0,5 мм/сек. И если создать границу, с одной стороны от которой атомы движутся с дозвуковой скоростью, а с другой - ускоряются до сверхзвуковой скорости, то эта граница будет аналогична горизонту событий черной дыры. Кванты атомов - в данном случае фононы - в эксперименте захватывались областью со сверхзвуковой скоростью. Пары фононов были разорваны, один находился в одной области, а второй - в другой. Зафиксированные ученым корреля ции говорят о том, что частицы оказываются квантово запутанными.

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.

Излучение Хокинга - процесс излучения различных элементарных частиц , который был теоретически описан британским ученым Стивеном Хокингом в 1974-м году.

Задолго до публикаций работ Стивена Хокинга, возможность излучения частиц черными дырами высказывалась советским физиком-теоретиком Владимиром Грибовым в дискуссии с другим ученым - Яковом Зельдовичем.

Занимаясь исследованием поведения элементарных частиц вблизи черной дыры, в 1973-м году тридцатилетний Стивен Хокинг посетил Москву. В столице ему удалось принять участие в научном обсуждении с двумя выдающимися советскими учеными Алексеем Старобинским и Яковом Зельдовичем. Работая некоторое время над идеей Грибова, они пришли к выводу, что черные дыры могут излучать благодаря туннельному эффекту. Последний означает существование вероятности того, что частица может преодолеть любой барьер, с точки зрения квантовой физики. Заинтересовавшись данной темой, Хокинг подробно изучил вопрос и в 1974-м году опубликовал свою работу, впоследствии которой его именем было названо упомянутое излучение.

Стивен Хокинг несколько иначе описал процесс излучения частиц черной дырой. Первопричиной такого излучения являются так называемые «виртуальные частицы».

В процессе описания взаимодействий между частицами ученые пришли к мысли о том, что взаимодействия между ними происходят посредством обмена некими квантами («порции» какой-либо физической величины). Например, электромагнитное взаимодействие в атоме между электроном и протоном протекает при помощи обмена фотонами (переносчиками электромагнитного взаимодействия).

Однако тогда возникает следующая проблема. Если, рассмотреть этот электрон как свободную частицу, то он никоим образом не может просто излучить или поглотить фотон, согласно принципу сохранения энергии. То есть он не может просто потерять или приобрести какое-то количество энергии. Тогда ученые и создали так называемые «виртуальные частицы». Последние отличаются от реальных тем, что рождаются и исчезают так быстро, что зарегистрировать их невозможно. Все, что виртуальные частицы успевают сделать за короткий промежуток своей жизни – это передать импульс другим частицам, при этом, не передавая энергию.

Таким образом, даже пустое пространство, в силу неких физических флуктуаций (случайных отклонений от нормы) просто кишит этими виртуальными частицами, которые постоянно рождаются и уничтожаются.

Излучение Хокинга

В отличие от советских физиков, описание излучения Стивеном Хокингом основывается на абстрактных, виртуальных частицах, которые являются неотъемлемой частью квантовой теории поля. Британский физик-теоретик рассматривает спонтанное возникновение этих виртуальных частиц на черной дыры. В таком случае мощное гравитационное поле черной дыры способно «растащить» виртуальные частицы еще до момента их уничтожения, тем самым превратив их в реальные. Подобные процессы экспериментально наблюдаются на синхрофазотронах, где ученым удается растаскивать эти частицы, при этом затрачивая некоторое количество энергии.

С точки зрения физики, возникновение реальных частиц, имеющих массу, спин, энергию и прочие характеристики, в пустом пространстве «из ничего» противоречит закону сохранения энергии, а значит просто невозможно. Поэтому для «превращения» виртуальных частиц в реальные потребуется энергия, не меньше, чем суммарная масса этих двух частиц, согласно известному закону . Такой запас энергии затрачивает и черная дыра на то, чтобы растащить виртуальные частицы на горизонте событий.

В результате процесса растаскивания одна из частиц, находящаяся ближе к горизонту событий или даже под ним, «превращается» в реальную, и направляется в сторону черной дыры. Другая же, в обратном направлении отправляется в свободное плаванье по космическому пространству. Проведя математические подсчеты, можно убедиться в том, что даже, несмотря на полученную энергию (массу) от частицы, упавшей на поверхность черный дыры, энергия, потраченная черной дырой на процесс растаскивания - отрицательная. То есть, в конечном счете, в результате описанного процесса, черная дыра лишь утратила некоторый запас энергии, который, причем, в точности равен энергии (массе), которой обладает улетевшая «наружу» частица.

Таким образом, согласно описанной теории, черная дыра хоть и не излучает никаких частиц, но способствует такому процессу и теряет эквивалентную энергию. Следуя уже упомянутому закону Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии, становится ясно, что черной дыре неоткуда брать энергию, кроме как из собственной массы.

Подводя итог всего вышеописанного, можно сказать, что черная дыра излучает частицу и при этом теряет некоторую массу. Последний процесс был назван как «испарение черной дыры». Исходя из теории об излучении Хокинга, можно догадаться, что спустя некоторое время, хотя и очень длительное (триллионы лет), черные дыры просто .

Интересные факты

• Многие люди опасаются, что на Большом Адронном Коллайдере (БАК) могут образоваться черные дыры, и, вероятно, привнести угрозу в жизнь землян. Рождение черных дыр на БАК возможно только в случае существования дополнительных измерений пространства-времени и наличия мощного гравитационного взаимодействия на малых расстояниях. Однако сформированная таким образом микроскопическая черная дыра мгновенно испарится за счет излучения Хокинга.
• На основе излучения Хокинга может работать сингулярный реактор или коллапсарный реактор – гипотетическое устройство, порождающее микроскопические черные дыры. Энергия излучения, образованного в результате их испарения, и будет основным источником энергии реактора.

Хотя Большой Адронный Коллайдер и выглядит грозно, из-за излучения Хокинга бояться его нечего

• Опубликовав свою работу по излучению черных дыр, Стивен Хокинг поспорил с другим известным ученым – Кипом Торном. Предметом спора стала природа объекта, претендующего на звание черной дыры, под названием . Несмотря на то, что работа Хокинга основывалась на предположении о существовании черных дыр, он утверждал, что Лебедь Х-1 не является черной дырой. Примечательно, что в качестве ставок выступали подписки на журналы. Ставка Торна представлялась в виде 4-хгодовой подписки на сатирический журнал «Private eye», тогда как ставка Хокинга – годовая подписка на эротический журнал «Пентхауз». Логику своего утверждения в споре, Стивен аргументировал следующим: «даже если я окажусь не прав, утверждая о существовании черных дыр, то хоть выиграю подписку на журнал»

Все рождается и умирает. Умирают и черные дыры. Их губят их же суперсильные гравитационные поля, в которых квантовые процессы протекают по-особому. Чтобы понять эти процессы, надо рассмотреть свойства физического вакуума.

Пустоты как таковой в природе нет. Есть вакуум, физический вакуум, в котором находится море не рожденных (виртуальных) частиц и античастиц. Никаким вакуумным насосом убрать эти не рожденные частицы нельзя. Нет и других способов устранить их. Эти не рожденные частицы рождаются только в том случае, если появится энергия. Тогда они превратятся в реальные частицы. Носители этой энергии могут быть разные - сильные электромагнитные поля, сильное гравитационное поле и т. д. В обычных же условиях только на короткий миг в каждой точке физического вакуума появляется пара - частица и античастица. Но они тут же сливаются и исчезают. Они возвращаются в свое «эмбриональное» состояние.

Рождение частиц и античастиц происходит, в частности, в переменном поле. Это может быть переменное гравитационное поле. Если гравитационное поле изменяется во времени, то из физического вакуума рождаются фотоны. Их частота соответствует времени изменения поля. В слабом гравитационном поле такой эффект очень мал. Но в сильном поле ситуация меняется. Подобным образом сильное электрическое поле вызывает рождение из физического вакуума пар заряженных частиц - электронов и позитронов.

Из сказанного выше ясно, что в сильных переменных гравитационных полях черных дыр могут рождаться (и рождаются) элементарные частицы и античастицы. При сжатии электрически заряженного тела и превращении его в заряженную черную дыру электрическое поле усиливается настолько, что оно порождает электроны и позитроны. Элементарные частицы рождаются и в эргосфере вращающейся черной дыры. При этом часть энергии вращения черной дыры уходит на рождение частиц. Но, по сути, здесь речь идет не об энергии самой черной дыры, а об энергии полей вокруг черной дыры. В результате рождения частиц и расхода на этот процесс энергии эти поля уменьшают свою энергию.

Однако оказалось, что и сама черная дыра может рождать элементарные частицы. То есть на переход частиц из виртуального состояния в реальное тратится энергия самой черной дыры. Естественно, что это энергия гравитационного поля черной дыры. В результате уменьшается как масса черной дыры, так и ее размеры.

Частица и античастица в физическом вакууме являются сиамскими близнецами. Они превращаются в реальные частицу и античастицу только вместе. Вместе они должны и исчезать, а точнее, возвращаться в физический вакуум. Так всегда и бывает в обычных физических условиях. Но в условиях черной дыры частица и античастица могут оказаться в разных мирах: одна из них может оказаться в области, откуда путь один - падать на черную дыру, а другая в это время может убежать от черной дыры. Рубиконом служит горизонт черной дыры. Если частица и античастица оказались по разные стороны горизонта черной дыры, то они уже никогда не могут слиться и уйти в физический вакуум, превратиться в физическое «ничто». Та частица, которая окажется по эту сторону горизонта черной дыры, спокойно уйдет в космос, унося с собой частичку энергии и массы черной дыры. Но на самом деле это процесс очень маломощный, и он с лихвой компенсируется тем, что на черную дыру непрерывно падает вещество из межзвездного пространства.

Черная дыра рождает не только фотоны, но и другие частицы. Если черная дыра обладает массой, равной массе нескольких Солнц, то их температура настолько низкая, что они могут производить только такие частицы, которые не обладают массой покоя. Это фотоны, электронные и мюонные нейтрино, а также их античастицы. Излучаются такой черной дырой и кванты гравитационных волн - гравитоны. Типичная звездная дыра рождает больше всего нейтрино всех сортов (84 % от всех частиц). Количество рожденных при этом фотонов составляет 17 %. Гравитонов рождается 2 %.

Черная дыра излучает больше всего нейтрино, потому что их квантовое вращение (спин) минимально. Оно равно 1/2. У гравитонов спин равен 2, поэтому их меньше всего.

Черная дыра с малой массой имеет высокую температуру. Такие черные дыры порождают кроме этих частиц и электронно-позитронные пары. Но речь идет о черных дырах, размеры которых в тысячу раз меньше атома. Это, конечно, очень похоже на фантастику. Но, оказывается, должны быть и черные дыры, которые еще меньше. Такие микроскопические черные дыры, как полагают физики, способны излучать также мюоны и более тяжелые элементарные частицы. Эти черные дыры не просто микроскопические. Их размер меньше атомного ядра. Ясно, что такие черные дыры не могут возникать путем бесконечного сжатия звезд. Полагают, что в далеком прошлом могли быть условия, необходимые для рождения таких черных дыр.

Черные дыры могут испаряться. Но это испарение является квантовым. Суть этого испарения состоит в следующем. По законам классической физики у частицы нет возможности вырваться из черной дыры. Но по законам квантовой механики у определенной доли частиц имеется возможность «просочиться» через запретный энергетический барьер. Запретный потому, что у частицы нет достаточного количества энергии для того, чтобы это сделать законно. Она просачивается через энергетический барьер вопреки всем законам физики. Именно вследствие такого процесса просачивания частиц и происходит испарение черных дыр. Получается, что черные дыры сами затягиваются без всяких внешних воздействий. Они просто превращаются в тепловое излучение.

Физики установили, что по мере уменьшения массы черной дыры в процессе испарения температура черной дыры увеличивается. Это значит, что испарение ускоряется. Так этот процесс постепенно нарастает. Когда масса черной дыры уменьшается до тысячи тонн, температура ее излучения увеличивается до 1CF". Это фантастическая температура. Следствием этого может быть только взрыв. Дело в том, что это вещество (последние тысячи тонн, которые остались от черной дыры) упаковано в очень маленьком, микроскопическом объеме. Оно взрывается и за одну десятую долю секунды превращается в излучение. При таком взрыве черной дыры выделяется энергия, которая эквивалентна взрыву одного миллиона мегатонных водородных бомб. Так кончает свою жизнь черная дыра. Что же касается жизни черной дыры, то она может быть долгой даже в космических масштабах.

от обычной звезды до черной дыры

Активный период жизни звезды определяется скоростью потери энергии на излучение и запасами топлива. Это зависит от массы звезды. Продолжительность жизни звезды определяется ее массой. Если масса звезды равна массе Солнца, то такая звезда живет активной жизнью примерно десять миллиардов лет. Чем массивнее звезда, тем короче ее активная жизнь. Если масса звезды составляет три массы Солнца, то такая звезда живет всего один миллиард лет. Звезда с массой, равной 10 масс Солнца, живет всего сто миллионов лет.

Когда ядерное топливо звезды заканчивается, звезда продолжает терять энергию. Она ее излучает и поэтому сжимается. Если масса звезды не превышает массу Солнца более чем в 1,2 раза, то сжатие ее закончится тогда, когда радиус звезды составит несколько тысяч километров. Плотность вещества таких звезд огромная. Один квадратный сантиметр этого вещества весит тысячу тонн. Такие звезды получили название белых карликов. Превратившись в белого карлика, звезда остывает и не изменяет своих размеров. Дальнейшему сжатию белого карлика препятствует давление газа. Оно обеспечивается квантовыми силами, возникающими между достаточно тесно упакованными электронами плазмы, которые составляют звезду. В этих условиях давление не зависит от температуры вещества звезды. Поэтому белый карлик остывает и превращается в черного карлика. Размер его при этом не изменяется.

В том случае, если масса звезды больше 1,2 массы Солнца, то в результате сжатия плотность ее вещества станет еще больше. При такой плотности начнут протекать ядерные реакции, которые поглощают много энергии. Поэтому звезда начинает стремительно сжиматься. Такое сжатие может закончиться ядерным взрывом, он называется вспышкой сверхновой звезды. В результате ядерного взрыва звезда сбрасывает оболочку и превращается в нейтронную звезду. В центре звезды плотность достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре. Примерно такова плотность атомного ядра. Собственно, специалисты считают, что нейтронная звезда есть что-то вроде атомного ядра размером в несколько километров. Ядерные частицы-нуклоны очень тесно упакованы в нейтронной звезде.

Если масса звезды не превосходит две массы Солнца, то нук-лонный газ способен квантовыми силами воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды. Тогда нейтронная звезда перестанет сжиматься и будет существовать в этом качестве. Нейтронные звезды считают холодными. Но на самом деле в ее центре температура достигает сотен - миллионов градусов, а на поверхности миллиона градусов. Тут нет никакого противоречия. При таком состоянии вещества как у нейтронной звезды понятие температуры является формальным, вычислительным и не имеет ничего общего с тем, к которому мы привыкли в повседневной жизни. Собственно, таково положение не только на нейтронной звезде, но даже в нашей атмосфере на высоте в сотни километров. Там ситуация обратная - плотность атмосферного газа столь мала, что можно говорить о вакууме. При такой малой плотности газа, как и при чрезмерно большой плотности, как в нейтронных звездах, температура является чисто вычислительной.

Главная » Пдд » Вот запара. Испаряются ли черные дыры