Эволюция звезд: конец пути. Реферат.

движутся много быстрее, чем в любом другом слое. Кинетическая энергия

движения нейтронов, смешанных с небольшим количеством протонов и

электронов, столь велика, что постоянно происходят неупругие столкновения

частиц. В процессах столкновения рождаются все известные в ядерной физике

частицы и резонансы, которых насчитывается более тысячи. По всей

вероятности, присутствует большое число ещё не известных нам частиц.

Температуры нейтронных звёзд сравнительно высоки. Этого и следует ожидать,

если учесть, как они возникают. За первые 10 - 100 тыс. лет существования

звезды температура ядра уменьшается до нескольких сотен миллионов

градусов. Затем наступает новая фаза, когда температура ядра звезды

медленно уменьшается вследствие испускания электромагнитного излучения.

2.4. Черные дыры.

2.4.1. Гравитационный радиус.

Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни

звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося

после взрыва, всё ещё превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться

в плотное крошечное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют

всякое внутреннее сопротивление сжатию. Учёные полагают, что именно в этот

момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению

чёрной дыры. Они считают, что с окончанием термоядерных реакций звезда уже

не может находиться в устойчивом состоянии. Тогда для массивной звезды

остаётся один неизбежный путь - путь всеобщего и полного сжатия

(коллапса), превращающего её в невидимую чёрную дыру.

В 1939 г. Р. Оппенгеймер и его аспирант Снайдер в Калифорнийском

университете (Беркли) занимались выяснением окончательной судьбы большой

массы холодного вещества. Одним из наиболее впечатляющих следствий общей

теории относительности Эйнштейна оказалось следующее: когда большая масса

начинает коллапсировать, этот процесс не может быть остановлен и масса

сжимается в чёрную дыру. Если, например, не вращающаяся симметричная

звезда начинает сжиматься до критического размера, известного как

гравитационный радиус, или радиус Шварцшильда (назван так в честь Карла

Шварцшильда, которой первым указал на его существование). Если звезда

достигает этого радиуса, то уже не что не может воспрепятствовать ей

завершить коллапс, то есть буквально замкнуться в себе. Чему же равен

гравитационный радиус? Строгое математическое уравнение показывает, что

для тела с массой Солнца гравитационный радиус равен почти 3 км, тогда как

для системы, включающей миллиард звёзд, - галактики - этот радиус

оказывается равным расстоянию от Солнца до орбиты планеты Уран, то есть

составляет около 3 млрд. км.

2.4.2. «Ловушки» для черных дыр.

Область пространства-Времени внутри черной дыры недоступна для изучения

отдаленному наблюдателю. Однако падающий вместе с коллапсирующим телом

наблюдатель может “увидеть” происходящие там события. Таким образом,

предсказания теории, касающиеся внутренности черной дыры, в принципе

допускают проверку. Своеобразие этой проверки состоит в том, что

результаты ее не могут быть сообщены наружу и использованы для сравнения с

теорией физиками, находящимися вне черной дыры.

Соответствующий принцип, получивший название принципа “космической

цензуры”, был сформулирован Р. Пенроузом в 1969 г. Согласно этому

принципу, прежде чем в процессе гравитационного коллапса неограниченно

возрастет кривизна и разовьется сингулярность, гравитационное поле

достигает такой силы, что перестает выпускать информацию наружу, т. е.

возникает горизонт событий, окружающий сингулярность. И хотя принцип

“космической цензуры” выглядит весьма правдоподобно, а многочисленные

работы, содержащие анализ различных мысленных экспериментов, его

подтверждают, тем не менее до сих пор отсутствует достаточно общее строгое

доказательство этого принципа. Доказательство принципа “космической

цензуры” и выяснение условий, при которых он справедлив, являются одной из

наиболее важных нерешенных задач общей теории относительности .

Каковы же физические свойства «чёрных дыр» и как учёные предполагают

обнаружить эти объекты? Многие учёные раздумывали над этими вопросами;

получены кое-какие ответы, которые способны помочь в поисках таких

объектов.

Само название - чёрные дыры - говорит о том, что это класс объектов,

которые нельзя увидеть. Их гравитационное поле настолько сильно, что если

бы каким-то путём удалось оказаться вблизи чёрной дыры и направить в

сторону от её поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот

прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от

Земли до Солнца. Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать

весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как

свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля чёрной

дыры и покинуть её поверхность. Именно поэтому такая поверхность

называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу

чёрной дыры.

Учёные отмечают, что эти необычные объекты нелегко понять, оставаясь в

рамках законов тяготения Ньютона. Вблизи поверхности чёрной дыры

гравитация столь сильна, что привычные ньютоновские законы перестают здесь

действовать. Их следует заменить законами общей теории относительности

Эйнштейна. Согласно одному из трёх следствий теории Эйнштейна, покидая

массивное тело, свет должен испытывать красное смещение, так как он теряет

энергию на преодоление гравитационного поля звезды. Излучение, приходящее

от плотной звезды, подобной белому карлику - спутнику Сириуса А, - лишь

слегка смещается в красную область спектра. Чем плотнее звезда, тем больше

это смещение, так что от сверхплотной звезды совсем не будет приходить

излучения в видимой области спектра. Но если гравитационное действие

звезды увеличивается в результате её сжатия, то силы тяготения оказываются

настолько велики, что свет вообще не может покинуть звезду. Таким образом,

для любого наблюдателя возможность увидеть чёрную дыру полностью

исключена! Но тогда естественно возникает вопрос: если она невидима, то,

как же мы можем её обнаружить? Чтобы ответить на этот вопрос, учёные

прибегают к искусным уловкам. Руффини и Уиллер досконально изучили эту

проблему и предложили несколько способов пусть не увидеть, но хотя бы

обнаружить чёрную дыру. Начнём с того, что, когда чёрная дыра рождается в

процессе гравитационного коллапса, она должна излучать гравитационные

волны, которые могли бы пересекать пространство со скоростью света и на

короткое время искажать геометрию пространства вблизи Земли. Это искажение

проявилось бы в виде гравитационных волн, действующих одновременно на

одинаковые инструменты, установленные на земной поверхности на

значительных расстояниях друг от друга. Гравитационное излучение могло бы

приходить от звёзд, испытывающих гравитационный коллапс. Если в течение

обычной жизни звезда вращалась, то, сжимаясь и становясь, всё меньше и

меньше, она будет вращаться всё быстрее, сохраняя свой момент количества

движения. Наконец она может достигнуть такой стадии, когда скорость

движения на её экваторе приблизится к скорости света, то есть к предельно

возможной скорости. В этом случае звезда оказалась бы сильно

деформированной и могла бы выбросить часть вещества. При такой деформации

энергия могла бы уходить от звезды в виде гравитационных волн с частотой

порядка тысячи колебаний в секунду (1000 Гц).

Дж. Вебер установил ловушки гравитационных волн в Аргоннской национальной

лаборатории вблизи Чикаго и в Мэрилендском университете. Они состояли из

массивных алюминиевых цилиндров, которые должны были колебаться, когда

гравитационные волны достигнут Земли. Используемые Вебером детекторы

гравитационного излучения реагируют на высокие (1660 Гц), так и на очень

низкие (1 колебание в час) частоты. Для детектирования последней частоты

используется чувствительный гравиметр, а детектором является сама Земля.

Собственная частота квадрупольных колебаний Земли равна одному колебанию

за 54 мин.

Все эти устройства должны были срабатывать одновременно в момент, когда

гравитационные волны достигнут Земли. Действительно они срабатывали

одновременно. Но, к сожалению, ловушки включались слишком часто - примерно

раз в месяц, что выглядело весьма странно. Некоторые учёные считают, что

хотя опыты Вебера и полученные им результаты интересны, но они

недостаточно надёжны. По этой причине многие относятся весьма скептически

к идее детектирования гравитационных волн (эксперименты по детектированию

гравитационных волн, аналогичные опытам Вебера, позднее были проверены в

ряде других лабораторий и не подтвердили результатов Вебера. В настоящее

время считается, что опыты Вебера ошибочны).

Роджер Пенроуз, профессор математики Биркбекского колледжа Лондонского

университета, рассмотрел любопытный случай коллапса и образования чёрной

дыры. Он также допускает, что чёрная дыра исчезает, а затем проявляется в

другое время в какой-то иной вселенной. Кроме того, он утверждает, что

рождение чёрной дыры во время гравитационного коллапса является важным

указанием на то, что с геометрией пространства-времени происходит нечто

необычное. Исследования Пенроуза показывают, что коллапс заканчивается

образованием сингулярности, то есть он должен продолжаться до нулевых

размеров и бесконечной плотности объекта. Последние условие даёт

возможность другой вселенной приблизиться к нашей сингулярности, и не

исключено, что сингулярность перейдёт в эту новую вселенную. Она даже

может появиться в каком-либо другом месте нашей собственной Вселенной.

Некоторые учёные рассматривают образование чёрной дыры как маленькую

модель того, что, согласно предсказаниям общей теории относительности, в

конечном счете, может случиться с Вселенной. Общепризнанно, что мы живём в

неизменно расширяющейся Вселенной, и один из наиболее важных и насущных

вопросов науки касается природы Вселенной, её прошлого и будущего. Без

сомнения, все современные результаты наблюдений указывают на расширение

Вселенной. однако на сегодня один из самых каверзных вопросов таков:

замедляется ли скорость этого расширения, и если да, то не сожмётся ли

Вселенная через десятки миллиардов лет, образуя сингулярность.

По-видимому, когда-нибудь мы сможем выяснить, по какому пути следует

Вселенная, но, быть может, много раньше, изучая информацию, которая

просачивается при рождении чёрных дыр, и те физические законы, которые

управляют их судьбой, мы сможем предсказать окончательную судьбу

Вселенной.

Почти всю свою жизнь звезда сохраняет температуру и размер практически

постоянными. Значение главной последовательности заключается в том, что

большинство обычных звёзд оказываются нормальными, то есть лишёнными

каких-либо особенностей. Мы вправе ожидать, что эти звёзды подчиняются

определённым зависимостям, подобным, например, упомянутой главной

последовательности. Большинство звёзд оказываются на этой наклонной линии

- главной последовательности, потому, что звезда может прийти на эту линию

всего лишь за несколько сотен тысяч лет, а, покинув её, прожить ещё

несколько сотен миллионов лет, большинство звёзд заведомо остаётся на

главной последовательности в течение миллиардов лет. Рождение и смерть -

ничтожно малые мгновенья в жизни звезды. Наше Солнце, являющееся обычной

звездой, находится на этой последовательности уже в течение 5-6 млрд. лет

и, по-видимому, проведёт на ней ещё столько же времени, так как звёзды с

такой массой и таким химическим составом, как у Солнца, живут 10-12 млрд.

лет. Звёзды много меньшей массы находятся на главной последовательности

примерно 50 млрд. лет. Если же масса звезды в 30 раз превосходит

солнечную, то время её пребывания на главной последовательности составит

всего около 1 млн. лет.

2.4.3. Проблемы, гипотезы.

Что же остается после взрыва черной дыры? В 1979г. Г. А, Вилковыский и В.

П. Фролов показали, что учет эффектов квантовой гравитации приводит к

тому, что черные дыры с массой, меньше планковской, не образуются. Поэтому

если только отсутствует сингулярность внутри черной дыры то имеются

следующие две возможности: черная дыра распадается полностью или в

результате распада остается элементарная черная дыра с массой порядка

планковской.

Гипотеза о возможности существования в природе подобных элементарных

черных дыр (получивших название максимонов) была выдвинута в 1965 г.

советским физиком М. А. Марковым. Максимоны (если только они действительно

существуют в природе) могли бы играть роль максимально тяжелых

элементарных частиц. Обладая сравнительно большой (почти макроскопической)

массой, максимон имеет крайне малый размер. Чрезвычайно малое сечение

взаимодействия максимонов с веществом приводит к тому, что звезды и

планеты практически полностью для них прозрачны. Поэтому даже если бы в

настоящее время максимонов во Вселенной было много, то крайне трудно было

бы обнаружить их теми методами, которыми регистрируют другие элементарные

частицы.

Исходя из оценок средней плотности вещества во Вселенной, можно заключить,

что если бы максимоны были распределены равномерно, то на 1 млрд. км^3

пространства приходилось бы не более одного максимона. Если справедлива

стандартная модель горячей Вселенной, то даже при средней плотности

максимонов в настоящее время порядка критической (~10^-29 г/см^3), на

ранних этапах эволюции Вселенной доля вещества в максимонной составляющей

была пренебрежимо мала. В настоящее время вопрос о существовании

максимонов и их роли в эволюции Вселенной остается открытым.

Даже если максимоны нестабильны, элементарные черные дыры могут,

по-видимому, играть важную роль в физике элементарных частиц. При

вычислении собственной энергии частицы обычно учитывают вклад

промежуточных состояний с произвольно большой энергией, что приводит к

появлению известных расходимостей. Учет гравитационного взаимодействия

соответствующих виртуальных частиц и возможности появления виртуальных

черных дыр в промежуточном состоянии может привести к устранению этих

расходимостей. Виртуальные (короткоживущие) черные дыры могут возникать и

в вакууме в результате квантовых флуктуации. Квантовые флуктуации

гравитационного поля тем больше, чем меньше масштабы длин. На расстояниях

порядка планковских (~10-^33 см) флуктуации метрики порядка единицы.

Подобные флуктуации означают сильные отклонения от плоской геометрии.

Иными словами, пространство-время в малых масштабах скорее напоминает

мыльную пену, чем гладь воды.

Представление о пенной структуре пространства-времени, сформулированное в

50-х гг. известным американским физиком Дж. Уилером, в последнее время

получило дальнейшее развитие в работах английской группы, возглавляемой С.

Хокингом. Взаимодействие элементарных частиц с виртуальными черными дырами

(пространственно-временной “пеной”) может приводить к таким следствиям,

как несохранение барионного и лептонного зарядов. И хотя ожидаемое при

этом время жизни протона (~10^50 лет) почти на 20 порядков превосходит

время жизни протона, предсказываемое в рамках теорий Великого объединения,

сама возможность подобных процессов может иметь фундаментальное значение,

особенно при обсуждении вопроса о происхождении Вселенной.

Завершая рассказ о черных дырах, хотелось бы обратить внимание на

следующее. Еще 20 лет назад мало кто верил в саму возможность

существования черных дыр. Гипотеза о черных дырах привлекла к себе

пристальное внимание после открытия нейтронных звезд. И удивительное дело

— черные дыры сразу “пришлись ко двору” в астрофизике. Им нашлось место не

только в виде остатков при вспышках сверхновых, но и в ядpax шаровых

скоплений, галактик и квазаров.

После открытия С. Хокингом явления квантового испарения черных дыр особое

значение приобрел вопрос о космологической роли малых черных дыр. Гипотеза

об элементарных черных дырах (максимонах) не только интересна своими

возможными космологическими следствиями, но и существенна для физики

элементарных частиц. Виртуальные черные дыры явятся, возможно, важным

элементом будущей квантовой теории гравитации. Исследование свойств черных

дыр привело к обнаружению глубоких связей между гравитацией и

термодинамикой. Этот простой перечень говорит о том, что за последние 16 -

15 лет, по сути дела, возникла, новая область науки — физика черных дыр со

своим объектом исследования и своими проблемами. Проблемы эти, зачастую

носят столь фундаментальный характер, а объект настолько удивителен, что

эта область привлекает внимание многочисленных исследователей. И хочется

надеяться, что она порадует физиков новыми, быть может, еще более

неожиданными, результатами.

Заключение.

ЛИТЕРАТУРА

Гинзбург В. Л. О теории относительности. М., Наука, 1979.

Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Теория тяготения и эволюция звезд. М.,

Наука, 1971.

Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Черные дыры во Вселенной. — Природа, 1972,

N 4, с. 28.

Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Староби\\\'н-ский А. А. Черные и белые дыры.

— Природа, 1976, № 1, с. 34.

Кауфман У. Космические рубежи теории относительности. М., Мир, 1981.

Киржниц Д. А., Фролов В. П. намика, информация. — Природа, 1981, N 11. с.

2.

Лайтман А. П., Сюняев Р. А., Шакура Н. И., Шапиро С. Д., Эрдли Д. М.

Современное состояние данных о Лебеде Х-1. — Успехи физических наук, 1978,

т. 126, с. 515.

Новиков И. Д. Черные дыры во Вселенной. М., Знание, 1977.

Новиков И. Д., Пол на рев А. Г. Первичные черные дыры. — Природа, 1980, Л”

7, с. 12.

Фролов В. П. Черные дыры и\\\" квантовые процессы в них. — Уепехи физических

наук, 1976, т. 118, с. 473.

29

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5