Проблемы чёрных дыр в современной космологии

Введение

Черные дыры – уникальные и загадочные объекты в безграничном космосе. Черная дыра - область пространства-времени, в котором сила притяжения настолько велика, что способность «вырваться» из него недоступна даже для объектов, движущихся со скоростью света. Сущность и происхождение черных дыр окутано гипотетическими представлениями. Черными дырами нередко называют коллапсирующие звёзды на поздних стадиях своего развития. Но феномен черных дыр намного сложнее, и поэтому ученые выделяют черные дыры, рожденные в результате умирания звезд, и «извечные», те из них, которые возникли сразу же после Большого взрыва. Одной из причин возникновения черных дыр является, по мнению астрофизиков, коллапс центральной части галактики или протогалактического газа.
Впервые о существовании особых мест, в которых темная материя способна поглощать все объекты – от атомов до звезд – высказался в 1915 году немецкий астроном и физик К. Шварцшильд. Вопросы существования черных дыр косвенно затронул А. Эйнштейн. Само название «черная дыра» закрепилось в 1967 году благодаря Д.А. Уиллеру, рассказавшему об этих таинственных объектах в одной из своих популярных лекций. Черные дыры в настоящее время активно исследуются в космологии. В противовес им было введено понятие «белые дыры». Если из черной дыры невозможно выбраться, то в белую дыру невозможно попасть. Наличие тех и других объектов в космосе вызывает рождение новых гипотез и дискуссий, которые привлекают к себе специалистов из различных кругов научной общественности.
Актуальность обращения к теории и практике изучения черных дыр вызывается необходимостью исследования данного феномена с целью понимания его природы и возможности изучения влияния черных дыр на пространственно-временные отношения.
Цель работы - рассмотреть проблемы черных дыр в современной космологии.
Задачи работы:
1.Рассмотреть историю открытия черных дыр,
2. Привести ряд научных фактов о черных дырах,
3. Рассмотреть известные факты о массивных, сверхмассивных черных дырах,
4. Выявить возможные пути эволюции черных дыр.
Работа состоит из введения, двух глав, заключения, в которых анализируется рассматриваемая тема.


1. Космологические представления о черных дырах
1.1 Открытие черных дыр: теория и практика
Предположения о том, что в космосе существуют особые «мертвые» звезды, была выдвинута в 1783 году астрономов Дж. Мичеллом на основе корпускулярной теории света и теории тяготения Ньютона. Мичелл рассуждал так: если свет состоит из частиц-корпускул светоносного эфира, то эти частицы должны испытывать, подобно другим телам, притяжение со стороны гравитационного поля. Следовательно, чем массивнее звезда, тем большее притяжение с ее стороны должны испытывать корпускулы и тем труднее свету покинуть поверхность такого тела.
Подобную гипотезу высказывал П.С. Лаплас в своей книге «Изложение системы мира», вышедшей в свет в 1796 и 1799 гг.
Собственно, научное открытие черных дыр произошло, благодаря общей теории относительности А. Эйнштейна, хотя великого физика данный вопрос прямо и не интересовал. Загадками темной материи заинтересовался Карл Шварцшильд. Ученый провел вычисления, из которых следует, что тяготение звезды не слишком искажает ньютоновскую структуру пространства и времени лишь в том случае, если ее радиус намного больше той самой величины, которую вычислил Джон Мичелл. Данный параметр изначально носил название Шварцшильда. В настоящее время он называется гравитационным радиусом.
Основательно проблема черных дыр получила развитие, начиная с 1967 года, благодаря Д.А

. Уиллеру, сделавшему данную проблему популярной. Внимание к открытию Уиллера привлекло как физиков, так и журналистов, благодаря которым проблема черных дыр стала активно обсуждаться в научных кругах. В настоящее время черные дыры продолжают исследоваться. Ученым предстоит еще немало открытий, связанных с рождением и возможной эволюцией черных дыр, а также спецификой излучения, выделяемого ими.

1.2 Научная информация о черных дырах
В настоящее время распространены следующие версии о том, как возникают черные дыры. Согласно наиболее привычной версии, черные дыры – это умирающие коллапсирующие звезды. После того, как заряды ядерного топлива в них исчезнут, и термоядерные реакции прекращаются, звезды начинают сжиматься под собственным весом. Если масса звезды велика, то она сжимается настолько сильно, что возникает черная дыра. Черные дыры имеют огромную массу при небольшом объеме, а гравитация их настолько сильна, что даже частицы света не могут покинуть пространство черной дыры.
Согласно иной версии, черные дыры – это «вечные» космические объекты, возникшие миллиарды лет назад в результате Большого взрыва.
Теория струн допускает рождение черных дыр микроскопических размеров от столкновения двух частиц (например, протонов). При ударе происходит их сильное сжатие, в результате которого рождается микроскопическая черная дыра. Время ее жизни минимально, и опасности она не представляет.
Черные дыры могут расти в результате поглощения вещества, а именно: газа соседней звезды в двойных звёздных системах. Процесс попадания газа в черную дыру носит название аккреции. Если черная дыра сталкивается с другим космическим объектом, происходит мощное гравитационное излучение, которое было зафиксировано особыми телескопами. Например, 11 февраля 2016 года астрофизики обнаружили мощные гравитационные волны, возникшие от столкновения черных дыр, масса каждой из которых составляла примерно 30 масс солнца. Находились эти объекты на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли.
Установлено, что число черных дыр в космосе может быть велико, и черные дыры имеют различные размеры. Параметры черных дыр – форму, состав вещества установить пока что не удается. Установлено, что время вблизи черных дыр протекает медленнее, чем вдали от них. Если бы мы бросили предмет в область черной дыры, то его движение бы замедлилось, а его видимость стала бы слабее.
Согласно классической теории гравитации, черную дыру невозможно ни уменьшить, ни уничтожить. Она может только расширяться в размерах.
Черные дыры таят немало загадок. Информация о них поступает только благодаря мощным телескопам. К сожалению, узнать более подробную информацию об этих объектах на сегодняшний день не представляется возможным.


2. Загадки черных дыр
2.1 Массивные, сверхмассивные черные дыры
Ученые выяснили, что черные дыры способны расширяться. Массивные черные дыры могут иметь размер современного мегаполиса, однако вес такого объекта будет в 5 тыс. раз выше, чем масса Солнца. Самые легкие из известных черных дыр могут весить меньше, чем Солнце, но плотность данных объектов примерно в 100 тысяч раз компактнее. Черная дыра, которая находится в центре Млечного Пути, к примеру, весит в 4 млн. больше, чем наше светило. Сверхмассивная черная дыра - это чёрная дыра с массой 105-1010 масс Солнца. Такие черные дыры есть во многих галактиках, в частности, в галактике Млечный Путь