Нейтронные звезды и черные дыры реферат

Обновлено: 05.07.2024

Вселенная- неисчерпаемый источник загадок для человека вот уже в течении многих столетий. Как древние люди смотрели на свет далеких, возможно уже потухших звезд с необъяснимым благоговением, так смотрим на них и мы. Люди 21 века. Кое-что уже зная о строение космоса мы все равно не можем объяснить себе его величие. Так и процессы, происходящие там, во многом за гранью нашего понимания.

Содержание

Введение. Обоснование выбранной темы.
Общие сведения о строение вселенной.
Эволюция звезд- как, зачем и почему.
Белые карлики- что это?
Черные дыры- старые знакомые или неизведанные враги?
Заключение
Список использованной литературы.

Прикрепленные файлы: 1 файл

Эволюция звезд. Белые карлики. Черные дыры. Практика.docx

Эволюция звезд. Белые карлики. Черные дыры.

Введение. Обоснование выбранной темы.
Общие сведения о строение вселенной.
Эволюция звезд- как, зачем и почему.
Белые карлики- что это?
Черные дыры- старые знакомые или неизведанные враги?
Заключение
Список использованной литературы.

Введение. Обоснование выбранной темы.

Но все же каждому образованному человеку стоит знать некоторые факты о строении вселенной. Именно это и обосновало выбор мной данной темы. Ибо пока мы не узнаем то, что придумали до нас мы никогда не сможем выяснить что-то новое.

В Древней Греции появилось учение о том, что звезды это далекие солнца, но и их сущность оставалась неизвестной для для человека в те далекие времена.

За последние сто лет, несмотря на пессимистические прогнозы древних ученых, удалось выяснить основные, ранее неизвестные факты, которые касаются природы звезд и физики процессов, которые происходят в их недрах. Астрономы шаг за шагом, постепенно, вторгаются в ту область человеческого познания, которая, если следовать Сократу, навсегда должна была стать для нас тайной.

Звезды вечны с точки зрения человека, но они не вечны с точки зрения самих звезд. Звезды рождаются и стареют, время жизни человека мизерно по сравнению с временем жизни самой звезды. Но при помощи математического аппарата и наблюдений вселенной астрономы смогли рассчитать модели развития звезд в зависимости от ее массы, радиуса и т.п. Поэтому в нашей работе мы рассмотрим также и процессы эволюции звезд.

Звезды это горячие светящиеся небесные тела, подобные Солнцу. Звезды различаются по размеру, температуре и яркости. По многих параметрам Солнце – типичная звезда, хотя кажется гораздо ярче и больше всех остальных звезд, поскольку расположена намного ближе к Земле. Даже ближайшая звезда (Проксима Кентавра) в 272 000 раз дальше от Земли, чем Солнце, поэтому звезды кажутся нам светлыми точками на небе. Хотя звезды рассыпаны по всему небосводу, мы видим их только ночью, а днем на фоне яркого рассеянного в воздухе солнечного света они не видны.

Живя на поверхности Земли, мы находимся на дне воздушного океана, который непрерывно волнуется и бурлит, преломляя лучи света звезд, отчего они кажутся нам мигающими и дрожащими. Космонавты на орбите видят звезды как цветные немигающие точки.

Что же касается Звёздной эволюции в астрономии — то это последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло. В течение таких колоссальных промежутков времени изменения оказываются весьма значительными.

Звезда начинает свою жизнь как холодное разрежённое облако межзвёздного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения и постепенно принимающее форму шара. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура объекта возрастает. Когда температура в центре достигает 15-20 миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой.

Что ж, теперь, когда мы узнали основополагающие факты можно начать детальное изучение.

Общие сведения о строение вселенной.

Многие, а может быть, и почти все галактики собраны в различные коллективы, которые называются группами, скоплениями и сверхскоплениями. В группу может входить всего три или четыре Галактики, а в сверхскопления – десятки тысяч. Несколько лет назад астрономы составили удивительную карту Вселенной. На ней каждая Галактика представлена всего лишь точкой. На первый взгляд они рассеянны на карте хаотично. Но приглядевшись можно обнаружить группы, скопления и сверхскопления, причем последние представляются цепочками точек.

Карта позволяет обнаружить, что некоторые такие цепочки соединяются и пересекаются, образуя какой-то сетчатый или ячеечный узор, напоминающий кружева или пчелиные соты размером ячеек в 100-300 мил. световых лет. Дальность действия современных телескопов достигает нескольких миллиардов световых лет. Это и есть размеры наблюдаемой Вселенной. Все небесные тела и системы поражают разнообразием свойств, сложностью строения. Хотя сама Вселенная в высшей степени однообразна и проста! Ее главное свойство – однородность.

У Вселенной есть и еще одно важнейшее свойство, но о нем до конца 20-х годов 20-го века никто не догадывался: Вселенная находится в движении – она расширяется. Расстояние между скоплениями и сверхскоплениями постоянно возрастает. Они как бы разбегаются друг от друга. А сеть ячеистой структуры – растягивается.

Настоящий переворот в науке о Вселенной произвели в 1922 –24гг. работы петербургского математика Александра Александровича Фридмана. Опираясь на только что созданную тогда Эйнштейном общую теорию относительности, он математически доказал, что мир – это не нечто застывшее и неизменное. Как единое целое он живет своей динамической жизнью, изменяется во времени, расширяясь или сжимаясь по строго определенным законам.

В науке слово "Вселенная" имеет особый смысл. Под ним понимается наибольший объем пространства вместе со всей материей и излучением, заключенными в нем, который может каким бы то ни было образом воздействовать на нас. Ученые Земли могут наблюдать только одну Вселенную, но никто не отрицает существование и других, только потому, что наши (далеко еще не совершенные) приборы не могут их установить.

Солнце - одна из миллиардов звезд. Есть звезды гораздо больше Солнца (гиганты), есть и меньше него (карлики), Солнце ближе по своим свойствам к карликовым звездам, чем к гигантам. Есть звезды горячие (они имеют бело-голубоватый цвет и температуру свыше 10000 градусов на поверхности, а некоторые до ста тысяч градусов), есть холодные звезды (они красные, температура поверхности около 3 тысяч градусов). Звезды находятся очень далеко от нас, до ближайшей звезды лететь со скоростью света (300000 км/с) целых 4 года, тогда как до Солнца можно долететь с такой скоростью за 8 минут.

Некоторые звезды образуют пары, тройки (двойные, тройные звезды) и группы (рассеянные звездные скопления). Существуют и шаровые звездные скопления, они содержат десятки и сотни звезд и имеют форму шара, с концентрацией звезд к центру. В рассеянных скоплениях собраны молодые звезды, а шаровые скопления очень древние, в них звезды старые. Возле некоторых звезд существуют планеты. Есть ли на них жизнь, а тем более цивилизации, пока не установлено. Но они вполне могут существовать.

Звезды образуют гигантские системы - Галактики. Галактика имеет центр (ядро), плоские спиральные рукава, в которых сосредоточено большинство звезд, и периферию, объемное облако из редких звезд. Звезды движутся в пространстве, они рождаются, живут и умирают. Такие звезды, как Солнце, живут примерно 10-15 миллиардов лет, и Солнце - звезда среднего возраста. Так что ему светить еще очень долго. Массивные и горячие звезды "сгорают" быстрее, и могут взрываться как "сверхновые" звезды, оставляя после себя очень маленькие и сверхплотные образования - белые карлики, нейтронные звезды или "черные дыры", в которых плотность материи столь высока, что никакие частицы не могут преодолеть силы тяготения и вырваться оттуда. Кроме звезд, в Галактике содержатся облака космической пыли и газа, образующие туманности. Плоскость Галактики, где максимальное число звезд, газа и пыли, видна на небе как Млечный Путь.

Наша Галактика - не единственная. Существует еще много миллионов Галактик, состоящих из огромного числа звезд. Например, Магеллановы облака, Туманность Андромеды - это другие Галактики. Находятся они на невообразимо больших расстояниях от нас.

На нашем небе звезды кажутся неподвижными, так как они очень далеко от нас, и их движение становится заметным только по прошествии десятков и сотен тысяч лет. А рисунки созвездий не изменились со времен Древней Греции и Рима и не изменятся еще очень долго.

Созвездие - это условно очерченная область на земном небе со всеми попавшими туда небесными объектами. Границы созвездий были утверждены в 1925 году на конгрессе Международного астрономического союза. Звезды, входящие в созвездие, вовсе не обязательно близки между собой в пространстве. Одни из них близко к нам, другие - далеко, но это не существенно. Важно, чтобы они проецировались на данный участок земного неба.

Солнце, Луна и планеты также проходят на фоне созвездий, но они все время движутся, смещаются со временем на фоне звезд. Слово "планета" означает в переводе "блуждающая". Так древние наблюдатели отличали планеты от "неподвижных" звезд. Быстрее всего на фоне звезд перемещается Луна, за месяц она обходит полный круг, а Солнце - за год. Планеты при этом двигаются одни быстрее, другие медленнее.

Эволюция звезд- как, зачем и почему.

Первая стадия жизни звезды подобна солнечной — в ней доминируют реакции водородного цикла. В таком состоянии он пребывает бо́льшую часть своей жизни, пока не закончатся запасы топлива в его ядре.

Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжается на его периферии.

В этот период структура звезды начинает меняться. Её светимость растёт, внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается — звезда становится красным гигантом. Когда накопленная масса гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; если звезда достаточно массивна, возрастающая при этом температура может вызвать дальнейшее термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы (гелий — в углерод, углерод — в кислород, кислород — в кремний, и наконец — кремний в железо).

Эволюция звезды начинается в гигантском молекулярном облаке, также называемом звёздной колыбелью. Масса такого облака превышает массу Солнца в 105 - 107 раз благодаря своему размеру: от 50 до 300 световых лет в поперечнике.

Пока облако свободно вращается вокруг центра родной галактики, ничего не происходит. Однако из-за неоднородности гравитационного поля в нём могут возникнуть возмущения, которые вызывают гравитационный коллапс облака. Любые неоднородности в силах, действующих на массу облака, могут инициировать процесс образования звезды.

Молодые звёзды малой массы (до трёх масс Солнца) полностью конвективны (перенос теплоты в жидкостях или газах происходит путем перемешивания самого вещества). Это ещё по сути протозвёзды, в центре которых только-только начинаются ядерные реакции, и всё излучение происходит, в основном, из-за гравитационного сжатия. Так как время нахождения этих звёзд в разряде молодых превышает возраст Вселенной, все представления об эволюции этих звёзд базируются только на численных расчётах и математическом моделировании.

Молодые звёзды промежуточной массы (от 2 до 8 массы Солнца) качественно эволюционируют почти точно так же, как и их меньшие сестры.

Звезды с массой больше 8 солнечных масс уже обладают характеристиками нормальных звезд, поскольку прошли все промежуточные стадии и достигли такой скорости ядерных реакций, что они компенсировали потери энергии на излучение, пока накапливалась масса гидростатического ядра. У этих звёзд истечение массы и светимость настолько велики, что не просто останавливают коллапсирование ещё не ставших частью звезды внешних областей молекулярного облака, но, наоборот, отталкивает их прочь. Таким образом, масса образовавшейся звезды заметно меньше массы протозвёздного облака. Скорее всего, этим и объясняется отсутствие в нашей галактике звёзд больше чем 100—200 масс Солнца.

Белые карлики - конечная стадия звездной эволюции после исчерпания термоядерных источников энергии звезд средней и малой массы. Они представляют собой очень плотные горячие звезды малых размеров из вырожденного газа. Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Масса белых карликов не может превышать некоторого значения - это так называемый предел Чандрасекара, равны примерно 1,4 массы Солнца.

Солнце в будущем - это белый карлик.

Грандиозное, но чрезвычайно редкое небесное явление, которое запечатлено во многих исторических летописях разных народов - это вспышка сверхновой звезды, которую иногда было видно даже днем.

Установлено, что в среднем в каждой галактике вспышка сверхновой происходит раз в несколько десятилетий. В максимуме своего блеска она может быть столь же яркой, как остальные сотни миллиардов звезд галактики вместе взятые.

Как впервые предположили в 30-е годы XX века Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная нейтронная звезда. Эта гипотеза подтвердилась после открытия в 60-х годах пульсара - быстровращающейся нейтронной звезды в центре Крабовидной туманности в созвездии Тельца; он возник на месте вспышки сверхновой 1054 года.

Нейтронная звезда - это конечное состояние эволюции звезд массой более десяти солнечных. Она представляет собой очень экзотический космический объект. Ее радиус - всего 10-20 км, а масса в 1,5-2 раза больше солнечной. Максимально возможная масса нейтронной звезды носит название предела Оппенгеймера-Волкова, который в любом случае не больше трех масс Солнца. Если масса нейтронной звезды превосходит это предельное значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется черная дыра.

Черная дыра - космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности. Сам термин "черная дыра" введен в науку американским физиком Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды.

Черные дыры образуются в результате коллапса гигантских нейтронных звезд массой более 3 масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров.

Поскольку черные дыры не светят, то единственный путь судить о них - это наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела.

Имеются косвенные доказательства существования черных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звездах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера, и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше 3 масс Солнца). Один из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры - это ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя - Лебедь Х-1.

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

Образование чёрных дыр

Самый очевидный способ сформировать черную дыру — это разрушить ядро массивной звезды. До тех пор, пока звезда не исчерпала свои запасы ядерного топлива, ее равновесие поддерживается термоядерными реакциями (превращение водорода в гелий, затем в углерод и т.д.). гладить в самых массивных звездах). Тепло, вырабатываемое в результате этих реакций, компенсирует потерю энергии, покидающей звезду с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в кишечнике звезды и препятствуют ее сжатию под действием собственной силы тяжести. Однако со временем ядерное топливо высыхает, и звезда начинает сжиматься.

Свойства чёрных дыр

Важно, чтобы гравитация действовала одинаково на все физические системы: Все часы показывают, что время замедляется, а все линейки показывают, что пространство расширяется вблизи черной дыры. Это означает, что черная дыра изгибает геометрию пространства и времени вокруг нее. За пределами черной дыры эта кривизна невелика, а рядом с черной дырой она настолько велика, что световые лучи могут двигаться по кругу вокруг черной дыры. За пределами черной дыры ее гравитационное поле точно описывается в теории Ньютона для тела равной массы, но вблизи черной дыры гравитационное поле становится намного сильнее, чем предсказывает теория Ньютона.

Если бы вы могли наблюдать, как звезда в телескопе превращается в черную дыру, вы бы сначала увидели, как она сжимается все быстрее и быстрее, но по мере приближения ее поверхности к радиусу тяжести сжатие замедляется, пока не достигнет полной остановки. Свет, исходящий от звезды, будет ослабевать и краснеть до тех пор, пока не будет полностью погашен. Это происходит потому, что фотоны теряют энергию, когда они преодолевают гравитацию, и им требуется больше времени, чтобы добраться до нас. Когда поверхность звезды достигает гравитационного радиуса, требуется бесконечное количество времени, чтобы свет достиг каждого наблюдателя, даже относительно близко расположенного к звезде (а фотоны теряют всю свою энергию). Следовательно, мы никогда не будем ждать этого момента, и, кроме того, никогда не увидим, что произойдет со звездой ниже горизонта события, но теоретически этот процесс можно изучить.

Рядом с черной дырой время проходит медленнее, чем далеко от нее. Если удаленный наблюдатель бросит горящий фонарик в направлении черной дыры, он увидит, что фонарик падает все быстрее и быстрее, но затем, по мере приближения к поверхности Шварцшильда, он замедлится, а его свет потускнеет и покраснеет (так как скорость вибрации всех его атомов и молекул замедляется). С точки зрения далекого наблюдателя, фонарь практически остановится и станет невидимым, так как никогда не сможет пройти сквозь поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда с фонариком, он бы за короткое время пересек поверхность черной дыры и упал в центр черной дыры, разорванной на части сильными приливно-отливными гравитационными силами, возникающими в результате различного притяжения на разных расстояниях от центра.

Ультра-массивные черные дыры

Согласно нашему сегодняшнему пониманию, протяженные очень массивные черные дыры образуют ядра большинства галактик. Среди них массивная черная дыра в ядре нашей галактики, Стрелец А*.

В настоящее время существование черных дыр в звездном и галактическом масштабе рассматривается большинством ученых как доказанное астрономическое наблюдение.

Американские астрономы обнаружили, что массу сверхмассивных черных дыр можно существенно недооценить. Исследователи обнаружили, что масса центральной черной дыры должна составлять не менее 6,4 млрд. масс Солнца, чтобы звезды в галактике M87 (которая находится на расстоянии 50 млн. световых лет от Земли) могли двигаться в их нынешнем виде, что в два раза больше, чем текущая оценка ядра M87, которое имеет 3 млрд. масс Солнца.

Первичная

Черные дыры в настоящее время имеют статус гипотезы. При достаточно больших отклонениях от однородности гравитационного поля и плотности материи в первые моменты жизни во Вселенной в результате коллапса могут образовываться черные дыры. В то же время их масса не ограничена снизу, как при звездном обрушении — возможно, их масса достаточно мала. Обнаружение первичных черных дыр представляет особый интерес в связи с возможностью изучения феномена испарения черной дыры. квантовая гравитация черной дыры

Квант

Предполагается, что в результате ядерных реакций черные дыры образуют стабильные микроскопические черные дыры, так называемые квантовые черные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако по общим причинам весьма вероятно, что массовый спектр черных дыр дискретный и что существует минимальная черная дыра — плоская черная дыра. Его масса около 10-5 г, а радиус — 10-35 м. Длина волны комптонской черной дыры в порядке ее гравитационного радиуса равна радиусу ее гравитации.

Заключение

Ты можешь многому научиться о черных дырах, если будешь внимательно их изучать. В глубинах Вселенной столько нового и неизвестного, что, я думаю, будет изучаться еще долгое время. Уверен, что по мере совершенствования технологий однажды мы сможем узнать, опровергнуть или доказать предположения и гипотезы, которые люди выдвигали сотни лет назад.

Список литературы

Образовательный сайт для студентов и школьников

Нейтронные звезды и черные дыры являются финальными стадиями эволюции массивных звезд. Эти компактные объекты не только обладают интереснейшими астрофизическими проявлениями, но и представляют огромный интерес для фундаментальной физики. Недаром за исследования нейтронных звезд было вручено уже две с половиной нобелевских премии (за открытие радиопульсаров, за обнаружение двойного пульсара и проверку ОТО, а также сюда можно отнести как минимум половину премии за развитие рентгеновской астрономии). В курсе рассматриваются различные источники, связанные с нейтронными звездами и черными дырами, эволюция нейтронных звезд, а также перспективы исследований в этой области.

Сходство черной дыры и нейтронной звезды

Черная дыра, это и есть нейтронная звезда, точнее, черная дыра представляет собой одну из разновидностей нейтронных звезд.

Черня дыра, как и нейтронная звезда состоит из нейтронов. Причем, это не нейтронный газ, в котором нейтроны находятся в свободном состоянии, а очень плотная субстанция с плотностью атомного ядра.

Похожее по теме. Чёрные дыры Чёрная дыра — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью �

Черные дыры и нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса, когда давление газа в звезде не может уравновесить её гравитационное сжатие. При этом звезда сжимается до очень маленького размера и очень большой плотности, так что электроны вдавливаются в протоны и образуются нейтроны.

Заметим, что среднее время жизни свободного нейтрона около 15 минут (период полураспада около 10 минут). Поэтому нейтроны в нейтронных звездах и в черных дырах могут быть только в связанном состоянии, как в атомных ядрах. Поэтому нейтронная звезда и черная дыра, это как бы атомное ядро макроскопических размеров, в котором нет протонов.

Отсутствие протонов, это одно отличие черной дыры и нейтронной звезды от атомного ядра. Второе отличие связано с тем, что в обычных атомных ядрах нейтроны и протоны "склеены" друг с другом с помощью ядерных сил (так называемое, "сильное" взаимодействие). А в нейтронных звездах нейтроны "склеены" с помощью гравитации.

Дело в том, что ядерным силам нужны еще и протоны для "склеивания" нейтронов друг с другом. Не существует таких ядер, которые состоят только из одних нейтронов. Обязательно должен быть хотя бы один протон. А для гравитации никакие протоны не нужны, чтобы "склеить" нейтроны друг с другом.

Еще одно отличие гравитации от ядерных сил заключается в том, что гравитация, это дальнодействующее взаимодействие, а ядерные силы, это короткодействующее взаимодействие. Поэтому атомные ядра не могут быть макроскопических размеров. Начиная с урана, все элементы периодической таблицы Менделеева имеют неустойчивые ядра, которые распадаются из-за того, что положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга и разрывают крупные ядра.

У нейтронных звезд и черных дыр такой проблемы нет, так как, во-первых, гравитационные силы дальнодействующие, а, во-вторых, в нейтронных звездах и черных дырах нет положительно заряженных протонов.

Нейтронная звезда и черная дыра под действием сил гравитации имеют форму шара, а точнее эллипсоида вращения, так как все нейтронные звезды (и черные дыры) вращаются вокруг своей оси. Причем достаточно быстро, с периодами вращения от нескольких секунд и меньше.

Похожее по теме. Большой взрыв и происхождение Вселенной О теории Большого взрыва, о космологической инфляции, о чёрных и белых дырах, о космологической сингулярности, о теории относительности и квантовой гравитации, о н�

Дело в том, что нейтронные звезды и черные дыры образуются из обычных звезд путем их сильного сжатия под действием гравитации. Поэтому, по закону сохранения момента вращения, они должны очень быстро вращаться.

Является ли поверхность черных дыр и нейтронных звезд твердой? Не в смысле твердого тела, как агрегатного состояния вещества, а в смысле четкой поверхности шара, без нейтронной атмосферы. Видимо, да, черные дыры и нейтронные звезды имеют твердую поверхность. Нейтронная атмосфера и нейтронная жидкость, это нейтроны в свободном состоянии, значит, они должны распадаться.

Но это не значит, что, если мы, например, уроним на поверхность черной дыры или нейтронной звезды какое-нибудь "изделие" из нейтронов с плотностью атомного ядра, то оно останется лежать на поверхности звезды. Такое гипотетическое "изделие" тут же "всосется" во внутрь нейтронной звезды и черной дыры.

Отличие черных дыр от нейтронных звезд

Сила тяжести у черной дыры такая, что вторая космическая скорость на её поверхности превышает скорость света. Поэтому свет с поверхности черной дыры не может навсегда уйти в открытый космос. Гравитационные силы заворачивают луч света обратно.

Похожее по теме. Пространство, время, черные дыры О пространственно-временном континууме, черных дырах, теории относительности, современной космологии и современной астрофизике

Если на поверхности черной дыры находится источник света, то фотоны этого света сначала летят вверх, а потом поворачивают и падают обратно на поверхность черной дыры. Или эти фотоны начинают вращаться вокруг черной дыры по эллиптической орбите. Последнее имеет место на такой черной дыре, на поверхности которой первая космическая скорость меньше скорости света. В этом случае фотон может вырваться с поверхности черной дыры, но он превращается в постоянный спутник черной дыры.

А на поверхности всех остальных нейтронных звезд, которые не являются черными дырами, вторая космическая скорость меньше скорости света. Поэтому, если на поверхности такой нейтронной дыры находится источник света, то фотоны от этого источника света покидают поверхность такой нейтронной звезды по гиперболическим орбитам.

Понятно, что все эти рассуждения относятся не только к видимому свету, но и к любому электромагнитному излучению. То есть покинуть черную дыру не может не только видимый свет, но и радиоволны, инфракрасные лучи, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Максимум, что смогут фотоны этих излучений и волн, это начать вращаться вокруг черной дыры, если для данной черной дыры скорость света больше первой космической скорости на поверхности звезды.

Поэтому такие нейтронные звезды и называются так "черная дыра". От черной дыры ничего не вылетает, а всё что угодно может туда залететь. (Испарение черных дыр за счет квантового туннелирования здесь рассматривать не будем.)

То есть понятно, что никакой дырки в пространстве там на самом деле нет. Точно также, как нет никакой дырки в пространстве на месте расположения обычной нейтронной звезды или на месте обычной звезды.

Дырки в пространстве там есть только в книгах писателей-фантастов, в научно-популярных изданиях и телепередачах. Изданиям и телепередачам нужно финансово отбить затраты на тиражи и рейтинги. Поэтому им приходится эмоционально поражать своих читателей и телезрителей такими фактами, которые нельзя проверить при сегодняшнем уровне развития науки и техники, но которые могут появится в каких-нибудь математических моделях.

(Непрофессиональная публика обычно не подозревает, что математические модели в физике всегда вторичны, что физика наука экспериментальная и что математические модели физических объектов имеют свойство в будущем меняться по мере появления новых экспериментальных данных.)

Если бы мы могли стоять на поверхности черной дыры, то посмотрев вверх мы бы увидели вместо звездного неба полупрозрачное зеркало. То есть мы видели бы там и окружающий космос (так как черная дыра принимает всё излучение отправленное к ней) и тот свет, который возвращается к нам обратно не сумев преодолеть гравитация. Этот возврат света обратно имеет эффект зеркала.

Точно такое же полупрозрачное "зеркало" на поверхности черной дыры имеет место и для других видов электромагнитного излучения (радиоволны, рентген, ультрафиолет и т.д.)

Белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. Что их связывает между собой?

Откуда берутся белые карлики? Наверняка многие знают, что они не входят в область главной последовательности звезд на диаграмме Герцшпрунга-Рассела:

Поэтому плотность таких звёзд довольно высока. Почему бы им не сжиматься до бесконечно большой плотности? Принцип запрета Паули не позволяет электронам быть в одном и том же квантовом состоянии (электрон является фермионом), поэтому при увеличении плотности звезды электроны начинают двигаться с большей скоростью. Это создает дополнительное давление изнутри, предотвращающее полное сжатие.

Светимость белых карликов, как видно из диаграммы, низкая, поэтому их трудно регистрировать в оптическом диапазоне. Однако самый известный белый карлик – Сириус В – был пойман в телескоп Альваном Кларком еще в 1862 году. Вместе с Сириусом А (или просто - Сириусом) Сириус В составляет двойную систему белого карлика и звезды главной последовательности. Период обращения Сириуса В составляет около 50 лет.

Иллюстрация наиболее вероятного вида системы

Регистрировать их в рентгеновском диапазоне. Зарождение рентгеновской астрономии – относительно недавнее событие (середина ХХ века). Для сравнения снимок системы Сириуса: А выглядит тусклее В, хотя в видимом диапазоне светимость А больше на несколько порядков.

Белый карлик может быть компонентом тесно связанной гравитационной системы, в которой вещество звезды-соседа перетекает на него.

Примерное строение нейтронной звезды:

Твёрдая оболочка состоит из некоторых химических элементов.

Некоторые нейтронные звёзды вращаются с высокими скоростями – несколько сотен оборотов в секунду. Также они обладают сильными магнитными полями.

Нейтронные звёзды подразделяются на:

Эжекторы, они же радиопульсары (выброс заряженных частиц, излучающих в радиодиапазоне);
Аккреторы, они же рентгеновские пульсары (вещество достигает поверхности такой звезды, нагревается до очень высоких температур и начинает излучать в рентгеновском диапазоне);
Георотаторы (материя не попадает на звезду из-за её магнитного поля);

Пропеллеры (плохо изученный вид, скорее всего, ничем не примечательный – обычная звезда из нейтронов).
Остановимся на аккреторах. Их свойства, а именно низкая скорость вращения и подходящее магнитное поле, позволяют им находиться в двойных системах.

Системы с нейтронными звёздами – мощные источники рентгеновского излучения. Материя остывающей звезды перетекает на аккретор. По достижении материей его поверхности высвобождается много гравитационной потенциальной энергии. Окрестный газ начинает нагреваться до нескольких миллионов кельвинов и излучать в рентгеновском диапазоне.

До коллапса более массивной звезды это была обычная двойная система звёзд. Теперь же вещество горящей звезды перетекает на чёрную дыру. Возникают джеты из частиц, которые сопровождаются излучением в радио- и рентгеновском диапазонах. Их появление обусловлено взаимодействием магнитного поля с диском материи около черной дыры (аккреационным диском).

Кроме того, чёрные дыры – предмет спора учёных по многим причинам:

Однако тема чёрных дыр требует отдельного обсуждения.
Итак, все эти объекты объединены тем, что являются:

Завершающим этапом эволюции звёзд (разных масс);
Компонентами двойных систем;
Мощными источниками рентгеновского излучения.

Читайте также: