Original: http://amazingspace.org/resources/explorations/blackholes/teacher/sciencebackground.html
Покажчик:
1. Що таке чорна діра?
2. Як утворюється зоряна чорна діра?
3. Як світло захоплюється гравітацією чорної діри, якщо світло не має маси?
4. Як виглядає чорна діра?
5. Чи є чорна діра гігантським космічним пилососом?
6. Чи всі зірки стають чорними дірами?
7. Скільки видів чорних дір існує?
8. Коли існування чорних дір було вперше доведено теоретично?
9. Які є докази існування чорних дір?
Кілька слів від ученого
Вибрані довідкові матеріали
Наукове підгрунтя:
Нижче надана інформація, щоб дати вчителю деякі додаткові знання про вплив гравітації і чорних дірок. Цей матеріал може бути використаний, щоб надихнути дослідні теми для студентів або заохочувати обговорення класу.
1. Що таке чорна діра?
Чорна діра визначається швидкість втечі, які повинні бути досягнуті, щоб вирватися з гравітаційного тяжіння, що чиниться на об’єкт. Наприклад, швидкість втечі землі дорівнює 11 км/с. Все, що хоче, щоб уникнути гравітаційного тяжіння Землі не повинна йти по крайней мере, 11 км/с, незалежно від того, що річ – це космічний корабель або бейсбол. Параболічна швидкість об’єкта залежить від того, наскільки компактно вона; тобто, відношення його маси до радіусу. Чорна діра є об’єктом настільки компактна, що, в межах певної відстані від нього, навіть швидкості світла не достатньо швидко, щоб уникнути.
2. Як утворюється зоряна чорна діра?
Загальний вигляд чорної діри типу виробництва деяких вмираючих зірок. Зірка з масою більше, ніж в 20 разів перевищує масу нашого Сонця може привести чорну діру в кінці свого життя. У нормального життя зірки існує постійна перетягування каната між гравітацією втягуючи і тиску виштовхування. Ядерні реакції в ядрі зірки виробляють достатньо енергії, щоб висунути назовні. Протягом більшої частини життя, тяжкості і тиску балансувати зірки один з одним точно, і тому зірка стійка. Однак, коли зірка вичерпує ядерне паливо, гравітація бере верх, і матеріал в ядрі стискається ще більше. Чим масивніше ядро зірки, тим більше сила тяжіння, яка стискає матеріал, який руйнується під дією власної ваги. Для малих зірок, коли ядерне паливо буде вичерпано, і немає більше ядерних реакцій боротися вагами, сил відштовхування між електронами всередині зірки в кінцевому рахунку створити достатній тиск, щоб зупинити подальше гравітаційний колапс. Зірка потім охолоджується і вмирає спокійно. Цей тип зірки називається «білий карлик». Коли дуже масивна зірка вичерпує ядерне паливо, вона вибухає як наднова. Зовнішні частини зірок викидаються сильно в простір, в той час як ядро повністю руйнується під дією власної ваги.
Для того, щоб створити потужний ядро прабатько (спадковий) зірки повинні були б бути, по крайней мере в 20 разів більш масивною, ніж наше Сонце. Якщо ядро дуже масивний (приблизно в 2,5 рази більша за масу Сонця), невідомо, сили відштовхування усередині зірки може відтіснити досить сильно, щоб запобігти тяжкості від повного колапсу ядра в чорну діру. Потім ядро ущільнює в математичну точку з практично нульовим обсягом, де сказано, щоб мати нескінченну щільність. Це називається сингулярність. Коли це станеться, втеча зажадає швидкості більшої, ніж швидкість світла. Жоден об’єкт не може досягти швидкості світла. Відстань від чорної діри, при якій швидкість втечі якраз дорівнює швидкості світла, називається горизонтом подій. Все що завгодно, в тому числі і світло, що проходить через горизонт подій в напрямку чорної діри, назавжди в пастці.
3. Як світло захоплюється гравітацією чорної діри, якщо світло не має маси?
Ньютон вважав, що тільки об’єкти з масою можуть виробляти гравітаційну силу один на один. Застосовуючи теорію тяжіння Ньютона, можна було б зробити висновок, що оскільки світ не має маси, сила тяжіння не може вплинути на це. Ейнштейн виявив, що ситуація трохи складніше. По-перше, він виявив, що сила тяжіння проводиться в викривленому просторі-часі. Потім Ейнштейн припустив, що маса і радіус об’єкта (його компактності) насправді криві простору-часу. Маса пов’язана з простором так, що фізики сьогодні досі повністю не розуміють. Тим не менш, ми знаємо, що чим сильніше гравітаційне поле об’єкта, тим більше простір навколо об’єкта викривлене. Іншими словами, прямі лінії вже не прямо, якщо під впливом сильного гравітаційного поля; замість цього, вони викривлені. Оскільки світло зазвичай проходить по шляху прямий лінії, світло слід по криволінійній траєкторії, якщо вона проходить через сильне гравітаційне поле. Це те, що мається на увазі під «викривленим простором», і тому світ потрапить в пастці в чорній дірі. У 1920 сер Артур Еддінгтон довів теорію Ейнштейна, коли він спостерігав, коли крива світла від зірок він подорожував близько до Сонця. Це було перше успішне передбачення загальної теорії відносності Ейнштейна.
Один із способів представити цей ефект гравітації уявити собі шматок гумової плівки розтягнутий. Уявіть собі, що ви поклали важкий м’яч в центрі листа. Вага кулі буде згинати поверхню аркуша близькою до неї. Це двомірне зображення того, що сила тяжіння робить в просторі в трьох вимірах. Тепер візьміть трохи мармуру і відправити його прокатки з одного боку гумового листа до іншого. Замість мармуру, приймаючи прямий шлях до іншої сторони аркуша, він буде слідувати контуру листа, який зігнутий вага кулі в центрі. Це подібно до того, як гравітаційне поле створюється за допомогою об’єкта (куля) зачіпає світло (мармур).
4. Як виглядає чорна діра?
Сама чорна діра невидима, тому що світ не втекти від нього. Справді, коли чорні діри були першим висунув гіпотезу, вони називалися «невидимі зірки». Якщо чорні діри невидимі, як ми знаємо, що вони існують? Це саме те, чому це так важко знайти чорну діру в космосі! Проте, чорна діра може бути знайдена побічно, спостерігаючи його вплив на зірки і газ поруч з нею. Наприклад, розглянемо подвійної зоряної системи, в якій зірки дуже близькі. Якщо одна з зірок вибухнуть як наднові і створює чорну діру, газ і пил з зірки-компаньйона може потягнутися до чорної діри, якщо супутник блукає занадто близько. У цьому випадку газ і пил притягається до чорної діри і почати на орбіту навколо горизонту подій, а потім по орбіті навколо чорної діри. Газ стає сильно стиснутим і тертя, яке розвивається серед атомів перетворює кінетичну енергію газу і пилу в тепло, і рентгенівські промені випускаються. Використовуючи випромінювання, що йде з орбітального матеріалу, вчені можуть виміряти тепло і швидкість. З руху і теплоти циркулюючого речовини, ми можемо зробити висновок про наявність чорної діри. Гаряча матерія закручена поблизу горизонту подій чорної діри називається аккреційним диском.
Джон Уілер, видатний теоретик, в порівнянні спостереження цих подвійних зоряних систем, щоб дивитися жінка в білих сукнях танцюють з чоловіками в чорних смокінгах всередині тьмяно освітленому залі. Ви бачите тільки жінка, але ви могли б передбачити існування їх невидимих партнерів через спінінгом Жіночого і кружляють рухів навколо центральної осі. Пошук зірок, рух під впливом невидимих партнерами є одним із способів, в яких пошук астрономів для можливих чорних дір.
5. Чи є чорна діра гігантським космічним пилососом?
Відповідь на це питання «не на самому ділі». Щоб зрозуміти це, розглянемо спочатку, чому сила тяжіння настільки сильна, близько до чорної діри. Серйозність чорної діри не є спеціальною. Це не приваблює питання на великих відстанях інакше, ніж будь-який інший об’єкт робить. На великій відстані від чорної діри сила гравітації зменшується обернено пропорційно квадрату відстані, так само, як це робить для звичайних об’єктів.
Математично, тяжкість будь-якого сферичного об’єкта поводиться, як якщо б вся маса була зосереджена в одній центральній точці. Так як більшість звичайних об’єктів мають поверхні, ви відчуєте сильну гравітацію об’єкта, коли ви знаходитесь на його поверхню. Це як можна ближче до його загальної маси, як ви можете отримати. Якщо ви проникали сферичний об’єкт з постійною щільністю маси, ближче до його ядра, ви відчуєте силу тяжіння слабшає, а не сильніше. Сила тяжіння ви відчуваєте, залежить від маси, яка знаходиться всередині вас, тому що сила тяжіння від маси позаду вас в точності компенсується масою в протилежному напрямку. Таким чином, ви будете відчувати сильну силу тяжіння від об’єкта, наприклад, планети, коли ви стоїте на поверхні планети, так як вона знаходиться на поверхні, що ви найближче до його загальної маси. Проникаючи поверхню планети не піддавати вас більше загальної маси планети, але насправді піддає вас менше його маси. Тепер згадайте, розмір чорної діри мізерно малий. Гравітація поблизу чорної діри дуже сильно, тому що об’єкти можуть отримати дуже близько до нього і як і раніше піддаються впливу загальної маси.
Там немає нічого особливого маси чорної діри. Чорна діра відрізняється від нашого звичайного досвіду не через свою маси, а тому, що її радіус зник. Вдалині від чорної діри, ви відчуєте ту ж силу тяжіння, як ніби чорна діра була нормальна зіркою. Але сила тяжіння поблизу чорної дірку надзвичайно сильна, тому що ви можете отримати так близько до його загальної маси!
Наприклад, поверхня Землі, де ми знаходимося в 6378 км від центру Землі. Поверхня так близько, як ви можете отримати і як і раніше піддаватися впливу загальної маси Землі. Таким чином, коли ви відчуєте сильну гравітацію. Якщо раптом Земля стала чорною дірою (неможливо!), І ви залишилися в 6378 км від нової Землі чорної діри, ви відчуваєте те ж силу тяжіння, як ви робите сьогодні. Наприклад, якщо ви зазвичай важите 120 фунтів, ви все одно важити 120 фунтів. Маса Землі не змінилася, на відстані від нього не змінилося, і тому ви відчуваєте таку ж силу гравітації, як ви відчуваєте на поверхні нормальної Землі. Але з Землею чорною дірою, можна було б для вас, щоб стати ближче до загальної маси Землі. Давайте припустимо, що ви важите 120 фунтів, що стоять на поверхні нормальної Землі. Заглиблюючись ближче до Землі-чорній дірі ви відчуєте все сильніше і сильніше силу. Якщо ви пішли в (3189 км половини радіусу нормальної Землі) від Землі чорної діри ви будете важити 480 фунтів! Для того ж вправу з Землею, як ми зазвичай відчуваємо його, якщо ви копали свій шлях в 3189 км від центру, ви будете важити менше, ніж на поверхні, всього лише 60 фунтів, тому що було б менше Земля маси внутрішніх по відношенню до вас!
Як інший приклад розглянемо Сонце. Якщо Сонце раптом чорна діра (в рівній мірі неможливо!), Земля буде продовжувати його нормальну орбіту і буде відчувати ту ж силу тяжіння від Сонця, як завжди!
Тому, щоб бути «висмоктаний» чорною дірою, ви повинні отримати дуже близько; в іншому випадку, ви відчуваєте ту ж силу тяжіння, як ніби чорна діра була нормальна зірка його раніше. Як ви наблизитеся до чорної діри, релятивістські ефекти стають суттєвими; наприклад, швидкість втечі наближається і в кінцевому підсумку досягає швидкості світла, і деякі дуже дивні речі, як «ефект горизонту подій» починають відбуватися. Для отримання додаткової інформації, зверніться до будь-популярній книзі про чорні діри.
6. Чи всі зірки стають чорними дірами?
Тільки зірка з дуже великими масами можуть стати чорними дірами. Наше Сонце, наприклад, мало масивні, щоб стати чорною дірою. Чотири мільярдів років, коли Сонце вичерпає наявного ядерного палива в його ядрі, наше Сонце помре тихою смертю. Зірки цього типу закінчують свою історію у вигляді білих карликів. Більш масивні зірки, такі, як ті, з масою понад 20 разів маси нашого Сонця, в кінцевому підсумку можуть створити чорну діру. Коли масивна зірка вичерпує ядерного палива він більше не може підтримувати свою власну вагу і починає руйнуватися. Коли це відбувається зірка нагрівається і деяка частина її зовнішнього шару, який часто все ще містить трохи свіжого ядерного палива, активує ядерну реакцію знову і вибухає, в так званому наднової. Частина, що залишилася внутрішня частина зірки, ядро, продовжує руйнуватися. Залежно від того, як масивного ядра, воно може стати або нейтронної зіркою і зупинити колапс, або він може продовжувати руйнуватися в чорну діру. Розподіл маса ядра, яка визначає його долю, складає близько 2,5 сонячних мас. Вважається, що для отримання ядра 2,5 сонячних мас спадковий зірка повинна починатися з більш ніж 20 сонячних мас. Чорна діра утворюється з зірки називається зоряної чорною дірою.
7. Скільки видів чорних дір існує?
Відповідно до теорії, може існувати три типи чорних дір: зоряних надмасивні, і мініатюрні чорні діри – в залежності від їх розміру. Ці чорні діри утворюються також по-різному. Зоряні чорні діри описані в питанні 6. надмасивні чорні діри, ймовірно, існують в центрах більшості галактик, в тому числі нашої Галактики, Чумацький Шлях. Вони можуть мати масовий еквівалент мільярдів сонць. У зовнішніх частинах галактик (де наша сонячна система знаходиться в межах Чумацького Шляху) є величезні відстані між зірками. Однак в центральній області галактики, зірки дуже щільно упаковані разом. Тому що все, що в центральній області щільно упаковані, щоб почати с, чорна діра в центрі галактики може ставати все більш і більш масивні, як зірки, що обертаються навколо горизонту подій в кінцевому рахунку, можуть бути захоплені гравітаційним притяганням і додати їх масу чорної діри. При вимірюванні швидкості зірок, що обертаються навколо близько до центру галактики, ми можемо зробити висновок про наявність надмасивної чорної діри і обчислити його масу. Перпендикулярно аккреционного диска надмасивної чорної діри, іноді виникають два струмені гарячого газу. Ці літаки можуть бути мільйони світлових років в довжину. Вони, ймовірно, обумовлено взаємодією частинок газу з сильним, що обертаються магнітні поля навколо чорної діри. Спостереження за допомогою космічного телескопа Хаббла забезпечили найкраще свідчення на сьогоднішній день, які існують надмасивні чорні діри.
Точні механізми, які призводять так звані мініатюрні чорні діри не були точно визначені, але було запропоновано кілька гіпотез. Основна ідея полягає в тому, що мініатюрні чорні діри, можливо, сформувалися незабаром після «Великого вибуху», який, як вважають, почав Всесвіту близько 15 мільярдів років тому. Дуже рано в житті Всесвіту швидке розширення деякого речовини може бути стиснутий повільніше рухається досить матеріалу, щоб стискатися в чорні діри. Деякі вчені припускають, що чорні діри можуть теоретично «випаровуються» і вибухають. Час, необхідний для «випарів» буде залежати від маси чорної діри. Дуже масивні чорні діри повинні були б час, яке більше, ніж поточний загальноприйнятому вік Всесвіту. Тільки мініатюрні чорні діри, як вважають, здатні випаровуванням в рамках існуючого часу нашого Всесвіту. Для чорної діри, утвореної під час «Великого вибуху», щоб випарувати сьогодні його маса повинна бути близько 1015 г (тобто близько 2000 млрд фунтів), трохи більше ніж в два рази маси поточної чоловік населення на планеті Земля. Під час заключного етапу «випаровування» така чорна діра вибухає з силою в кілька трильйонів раз, що нашого найпотужнішого ядерної зброї. До сих пір, однак, немає ніяких даних спостережень для мініатюрних чорних дір.
8. Коли існування чорних дір було вперше доведено теоретично?
Використовуючи закони Ньютона в кінці 1790-х років, Джон Мічелл Англії і Пірр Лаплас Франції незалежно припустив існування «невидимої зірки». Мічелл і Лаплас розрахували масу і розмір – який тепер називається «горизонтом подій» – що об’єкт потребує для того, щоб мати швидкість втечі більше, ніж швидкість світла. У 1967 році Джон Уілер, американський фізик-теоретик, застосував термін «чорна діра» в цих зруйнованих об’єктів.
9. Які є докази існування чорних дір?
Астрономи знайшли переконливі докази надмасивної чорної діри в центрі гігантської еліптичної галактики М87, а також в декількох інших галактиках. Виявлення заснований на вимірюванні швидкостей вир гарячого газу, що обертається навколо чорної діри. У 1994 році дані космічного телескопа Хаббла справив безпрецедентні вимірювання маси невидимого об’єкта в центрі M87. На основі кінетичної енергії матеріалу кружляння навколо центру (як в танці Уілера див. питання 4 вище), об’єкт становить близько 3 мільярдів раз маси Сонця і, як видається, зосереджена в простір менше, ніж наша сонячна система.
Протягом багатьох років рентгенівського випромінювання від подвійної зоряної системи Лебідь Х-1 переконали багатьох астрономів, що система містить чорну діру. При більш точних вимірювань, наявних останнім часом, дані для чорної діри в Лебедя Х-1 є дуже сильним.
Кілька слів від ученого:
Коли ми зібралися разом минулого літа це було особливо захоплююче час, щоб створювати урок про чорні діри. Новий інструмент на HST тільки стати ідеальним інструментом науки для пошуку і вивчення надмасивних чорних дір, які знаходяться в центрі галактик. Серед чудових речей, HST може досягти за допомогою цього інструменту, обробки зображень спектрограф (STIS), буде чорна діра обстеження. STIS щось на кшталт «Пістолет космічної швидкості» – коли Хаббл вказав на галактики він може визначити швидкість матеріалу, що циркулює галактичний центр. Чим швидше речі рухаються навколо центру, тим більш масивний, що центр повинен бути. З фізикою середньої школи рівня, ми можемо визначити масу цих надмасивних чорних дір. Подібно до того, як ми знаємо масу нашого Сонця, спостерігаючи планети в їх орбітах навколо Сонця, ми знаємо масу чорних дір, які знаходяться в центрі кожного і кожної галактики, в якій ми Направте STIS «пістолет швидкості». Реальний STIS образ центральної області галактики М84 використовується у «Вражаючій діяльності космічної чорної діри». Чим більше результатів STIS акумулювати, здається, що багато, якщо не більшість, галактики мають надмасивні чорні діри в їх центрі.
У моєму дослідженні я вивчав гравітацію на набагато менших масштабах. Я використовую циркуляцію наших океанів і атмосфери, щоб перевірити, як цей рух впливає на гравітаційне поле Землі. Наприклад, супутники на орбіті навколо Землі демонструють вимірні зміни в їх орбіт в результаті Ель-Ніньо. Насправді, коли ви встаєте і залишити комп’ютерний термінал відбудеться зміна гравітаційного поля Землі на дуже невеликій кількості. Звичайно, ваша ходьба по кімнаті не вимірна з космосу. Тим не менш, це буде цікавий експеримент, щоб побачити, скільки вчителів доведеться вставати і ходити по своїх кімнатах, щоб викликати измеримое зміна в гравітаційному полі Землі. Гравітаційні явища, що відбуваються на Землі і в нашій Сонячній системі багато разів менше за величиною і масштабам і не настільки дивні, як ті, які відбуваються всередині і навколо чорної діри. Я сподіваюся, що заходи, розроблені в цьому плані уроку захопить уяву студентів, надати їм більш глибоке розуміння нашого Всесвіту, і нехай вони весело провести час в одне і теж час.
Деніел Стайнберг
Вибрані довідкові матеріали
Книги
Begelman, Mitchell and Rees, Martin J. Gravity’s Fatal Attraction: Black Holes in the Universe. Paperback, 246 pages, Scientific American Library, 1998. ISBN: 0716760290.
Boslough, John. Stephen Hawking’s Universe. Morrow Publishing, 1985.
Ferguson, Kitty. Prisons of Light: Black Holes. Hardcover, Cambridge Univ. Press, 1996. ISBN: 0521495180.
Hawking, Stephen. A Brief History of Time. Bantam Publishing, 1996.
Hawking, Stephen W. Black Holes and Baby Universes and Other Essays. Paperback reprint edition, Bantam Books, 1994. ISBN: 0553374117.
Hazen, Robert M. and Singer, Maxine. Why Aren’t Black Holes Black? The Unanswered Questions at the Frontiers of Science. Paperback, 304 pages, Anchor, 1997. ISBN: 0385480148.
Kaufmann, William J. III. Black Holes and Warped Spacetime. W.H. Freeman & Co., San Francisco, 1979.
Kaufmann, William J. III. Universe. W.H. Freeman & Co., San Francisco, 1998.
Novikov, Igor. Black Holes and the Universe. Cambridge University Press, 1995.
Pickover, Clifford A. Black Holes: A Traveler’s Guide. Hardcover, 352 pages, John Wiley & Sons, 1996. ISBN: 0471125806.
Strathern, Paul. Hawking and Black Holes. Paperback, 112 pages, 1 Anchor edition, Doubleday, 1998. ISBN: 0385492421.
Thorne, Kip S. Black Holes and Time Warps. W.W. Norton & Co., 1994.
Журнали
Buckley, Richard. “Black Holes.” Astronomy News, Vol. 13, No. 2, February 1999, p. 47.
Charles, Phil. “Black holes: Do they exist?” Astronomy News, Vol. 13, No. 2, February 1999, p. 53.
Freedman, David H. “The Mysterious Middle of the Milky Way.” Discover, Vol.19, No. 11, November 1998, p. 66.
Nicolson, Iain. “The Nature of Black Holes Explained.” Astronomy News, Vol. 13, No. 2, February 1999, p. 49.
Schilling, Govert. “Starving Black Holes Sound an SOS.” Science, Vol. 284, No. 5414, April 23, 1999, p. 567.
Sincell, Mark. “Black Holes Enter the Middleweights.” Science, Vol. 284, No. 5414, April 23, 1999, p. 566.
