Черные дыры — объяснение для детей. Методическое пособие "Чёрные дыры в космосе и на Земле"

Таинственные и неуловимые черные дыры. Законы физики подтверждают возможность их существования во вселенной, но сих пор остается множество вопросов. Многочисленные наблюдения показывают, что дыры существуют во вселенной и этих объектов - больше миллиона.

Что такое черные дыры?

Ещё в 1915 году при решении уравнений Эйнштейна было предсказано такое явление как «черные дыры». Однако научное сообщество заинтересовалось ими только в 1967 году. Их тогда называли «сколлапсировавшие звёзды», «застывшие звёзды».

Сейчас черной дырой называют область времени и пространства, которые обладают такой гравитацией, что из неё не может выбраться даже луч света.

Как образуются черные дыры?

Существуют несколько теорий появления черных дыр, которые делятся на гипотетические и реалистичные. Самая простая и распространенная реалистичная - теория гравитационного каллапса больших звезды.

Когда достаточно массивная звезда перед «смертью» разрастается в размерах и становится не стабильной, расходуя последнее топливо. В то же время масса звезды остается неизменной, но её размеры уменьшаются так как происходит, так называемое, уплотнение. Иными словами при уплотнении тяжелое ядро "падает" в само себя. Параллельно с этим уплотнение приводит к резкому повышению температуры внутри звезды и внешние слои небесного тела отрываются, из них образуются новые звезды. В это же время в центре звезды - ядро падает в свой собственный "центр". В результате действия сил гравитации центр обваливается в точку - т.е силы гравитации на столько сильны, что поглощают уплотненное ядро. Так рождается черная дыра, которая начинает искажать пространство и время, что даже свет не может вырваться из неё.

В центрах всех галактик находится сверхмассивная черная дыра. Согласно теории относительности Эйнштейна:

«Любая масса искажает пространство и время».

А теперь представьте, как сильно черная дыра искажает время и пространство, ведь её масса огромна и одновременно втиснута в сверхмалый объем. Из-за этой способности возникает следующая странность:

«Черные дыры обладают способностью практически останавливать время и сжимать пространство. Из-за этого сильнейшего искажения дыры становятся не видимыми для нас».

Если черные дыры не видны, откуда мы знаем, что они существуют?

Да, хоть черная дыра и невидимка, но она должна быть заметна за счет материи, которая падает в неё. А так же звездный газ, который притягивается черной дырой, при приближении к горизонту событий температура газа начинает расти до сверхвысоких значений, что приводит к свечению. Именно поэтому черные дыры светятся. Благодаря такому, хоть и слабому свечению, астрономы и астрофизики объясняют наличие в центре галактики объекта с малым объемом, но огромной массой. В данный момент в результате наблюдений обнаружено порядка 1000 объектов, которые похожи по поведению на черные дыры.

Черные дыры и галактики

Как черные дыры могут влиять на галактики? Этот вопрос мучает ученых всего мира. Есть гипотеза, согласно которой именно черные дыры, находящиеся в центре галактики влияет на её формы и эволюцию. И что при столкновении двух галактик происходит слияние черных дыр и во время этого процесса выбрасывается такое огромное количество энергии и материи, что образуются новые звезды.

Типы черных дыр

• Согласно существующей теории, есть три типа черных дыр: звездные, сверхмассивные, миниатюрные. И каждая из них сформировалась особым образом.
• - Черные дыры звездных масс, она разрастается до огромных размеров и разрушается.
  - Сверхмассивные черные дыры, которые могут иметь массу, эквивалентную миллионам Солнц, с большой вероятностью существуют в центрах практически всех галактик, включая наш Млечный путь. Ученые все ещё имеют разные гипотизы образования сверхмассивных черных дыр. Пока известно только одно - сверхмассивные черные дыры - побочный продукт образования галактик. Сверхмассивные черные дыры - они отличаются от обычных тем, что имеют очень большой размер, но парадоксально маленькую плотность.
• - Еще никто не смог обнаружить миниатюрную черную дыру, которая имела бы массу меньшую, чем Солнце. Вполне возможно, что миниатюрные дыры могли бы образоваться вскоре после «Большого взрыва», который является начальной точной существования нашей вселенной (около 13,7 млрд лет назад).
• - Совсем недавно было введено новое понятие как "белые черные дыры". Это пока гипотетическая черня дыра, которая является противоположностью черной дыре. Активно изучал возможность существования белых дыр Стивен Хокинг.
• - Квантовые черные дыры - они существуют пока только в теории. Квантовые черные дыры могут образовываться при столкновении сверхмалых частиц в результате ядерной реакции.
• - Первичные черные дыры - тоже теория. Они образовались сразу после возникновения.

В данный момент существует большое количество открытых вопросов, на которые ещё предстоит ответить будущим поколениям. Например, могут ли в действительности существовать так называемые "кротовые норы", с помощью которых можно путешествовать по пространству и времени. Что именно происходит внутри черной дыры и каким законам подчиняются эти явления. И как быть с исчезновением информации в черной дыре?

Всероссийский конкурс юношеских исследовательских работ им. В. И. Вернадского 2013-14 года

1.Введение
Меня зовут Саша Войнов. Мне 8 лет. Я учусь во втором классе. Мне очень нравится наблюдать за звездами. Я люблю изучать все, что связано с космосом. Во Вселенной немало загадочных и недостаточно изученных объектов. Одними из самых интересных объектов является черные дыры. Многие считают, что черные дыры не существуют. Я попытаюсь доказать, что они есть.
Тема черных дыр является одной из актуальнейших тем современной астрономии, астрофизики и космологии, так как эти объекты помогают лучше понять устройство нашей вселенной, с момента большого взрыва по настоящий день, а также позволят понять, что будет с нашей вселенной в будущем.
Цель исследования: сформировать понятие «чёрная дыра космоса».

Задачи:
1. Изучить историю возникновения вопроса о черных дырах.
2. Систематизировать и изучить информацию о черных дырах (возникновение, свойства).
3. Провести опыты.
Методы исследования: работа с литературными источниками и Интернет - ресурсами, эксперимент.
Новизна исследования: термин «Черная дыра» появился давно, однако полного исследования черных дыр до сих пор не проведено. Мною были придуманы опыты с целью, объяснить некоторые свойства черных дыр.
Обзор литературы:
Источник информации Что я узнал
Хокинг С. Три книги о пространстве и времени. История появления идеи о «Черных дырах»; как появляются черные дыры, понятие коллапс звезды; что значит искажение пространства; где живут черные дыры
КИП С. Торн. Черные дыры и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна. Как происходит искажение пространства и времени; вклад Эйнштейна в развитии теории существования черных дыр
Ян Николсон. Вселенная. Серия «Жизнь планеты» Что значит сверхмассивные звезды, сравнение размеров солнца, звезд с размерами автомобиля
Я познаю мир: Дет. энцикл.: Физика Общие сведения о черной дыре: история, как появляются
Я познаю мир: Дет. энцикл.: Космос История возникновения термина «Черная дыра»
Энциклопедический словарь юного физика. Что значит: гравитация, масса, притяжение, частица; работа Ньютона – свет состоит из частиц
Энциклопедический словарь юного астронома. Теории возникновения черных дыр
Новости про космос и НЛО Картинки и фото с изображением черных дыр
WWalls.RU: обои для рабочего стола. Космос Картинки и фото с изображением черных дыр

2.История идеи
Термин «ЧЕРНАЯ ДЫРА» появился совсем недавно, в двадцатом веке. Его придумал американский ученый Джон Уиллер.
Однако попытки объяснить это загадочное явление были сделаны давно, около 200 лет назад.
Исаак Ньютон, считал, что свет состоит из частиц. Значит, он обладает массой и на него действует гравитация.
Исходя из этого, английский астроном Джон Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность.
Великий ученый Альберт Эйнштейн теоретически доказал возможность существования черных дыр.
В 1934 году американские физики выдвинули гипотезу об умирание звезды. А уже в 1939 году доказали что: «Черная дыра все поглощает и ничего не выпускает!»

3.Теории возникновения черных дыр:
Как формируются (возникают) черные дыры? Существует по три теории возникновения черных дыр:
1. Коллапс звезды под действием собственной силы гравитации: крупные звезды существуют за счет собственной энергии. Звезда живет, пока не кончится эта энергия. При уменьшении размеров звезды, ее плотность увеличивается, что приводит увеличению массы звезды. Если масса звезды будет больше трех солнечных, то это приводит к коллапсу звезды.
2. 14 млрд. лет назад началось расширение нашей Вселенной. Существует теория, сто в то время высокая плотность наблюдалась повсюду. Поэтому небольшие изменения плотности в ту эпоху могли приводить к рождению черных дыр любой массы, в том числе и малой.
3. Существует предположение, что черные дыры могут возникнуть при столкновении быстрых элементарных частиц. При сильном столкновении двух частиц они могут сжаться достаточно сильно, чтобы родилась микроскопическая черная дыра. После этого она почти мгновенно разрушится.

4.Свойства черных дыр
1) Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если наблюдатель, который находится на некотором расстоянии от черной дыры, бросит в сторону черной дыры светящийся предмет, например фонарь, то увидит, как он будет падать все быстрее и быстрее, но затем начнет замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть. С точки зрения далекого наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда вместе с фонарем, то он за короткое время упал к центру черной дыры, будучи при этом разорван ее мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра. То есть если что-то (кто-то) проникнет за горизонт событий, то никогда не вернется.
2) Если тело, из которого возникла черная дыра, вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется "вихревое" гравитационное поле (воронка), увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее.
3)Когда тело сжимается в черную дыру, то все его характеристики, кроме массы, электрического заряда и момента импульса, исчезают (такие, как состав, плотность, объем и др.).
4) Граница черной дыры называется горизонтом событий. Веществом, которое попадает в горизонт событий черной дыры, непременно будет образована сингулярность (область бесконечно малых размеров) с неизмеримо огромной плотностью, из-за которого все вещество звезды разрушается.
5) Черная дыра может очень медленно «испаряться». Это открыл Стивен Хокинг. Им было доказано, что черные дыры способны выпускать вещество и излучение, но это можно заметить только в том случае, если масса самой черной дыры достаточно низкая.
6) Черная дыра обладает огромным, неиссякаемым запасом энергии.

5.Где находятся черные дыры?
Самый первый вопрос, который волнует людей в проблеме чёрных дыр, это стремление узнать, где вообще находятся чёрные дыры. В действительности чёрные дыры разбросаны по всей Вселенной. Чёрная дыра может образоваться в любом месте, в том числе и рядом с Солнечной системой.

6.Описание опытов
Первый опыт «Невидимая реальность»
Представьте, что наша Земля – это Вселенная, а все, что на ней находится (люди, животные, растения) – это объекты Вселенной (т.е. звезды, планеты, кометы). Если закрыть глаза, то мы ни чего не увидим, но это не означает, что все вокруг нас исчезло.
Второй опыт «Искажение пространства»
Возьмем лист бумаги и поставим две точки. Соединим точки прямой. Расстояние между точками определим при помощи линейки. Теперь скомкаем лист. Расстояние между точками уменьшилось. Таким образом, можно говорить об изменении пространства внутри черной дыры.
Третий опыт «Цвет черной дыры»
Возьмем две коробки с небольшими круглыми отверстиями. Одну внутри покрасим белым цветом, а другую черным. Посмотрим в отверстия в коробках. В обоих коробках ни чего не видно. Поместим предметы – их тоже не видно. Поэтому, можно говорить, что внутри черные дыры необязательно черные. Отсюда следует, что черные дыры необязательно черные.
8.Выводы
Итак, на мой взгляд, в рамках своей работы мне удалось сформировать понимание того, что такое чёрная дыра: я изучил литературу, систематизировал полученную информацию, познакомился с историей данного вопроса, рассмотрел свойства черных дыр и провел опыты.
Черные дыры – совершенно удивительные объекты, не похожие ни на что, известное до сих пор. Это дыры в пространстве и времени, возникающие из-за очень сильного искривления пространства и изменения характера течения времени в стремительно нарастающем гравитационном поле. В последующем я хочу продолжить свою работу по изучению этих интереснейших объектов, поскольку черные дыры обладают огромной энергией, которую можно использовать для нужд человечества.

Список литературы
1. Хокинг С. Три книги о пространстве и времени. Перевод с англ. – СПб.: Амфора. ТИД Амфора, 2012. с. 106-109, 123-127, 330-340.
2. КИП С. Торн. Черные дыры и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна. Перевод с англ. Под ред. Чл.-корр. Ран В.Б. Брагинского. – М.: Издательство физико-математической литературы, 2009., с. 23, 122-124.
3. Ян Николсон. Вселенная. Серия «Жизнь планеты» – М.: «Росмэн», 2000. с. 21-22.
4. Я познаю мир: Дет. энцикл.: Физика/ Сост., худож. А.А. Леонович; Под общ. ред. О. Г. Хинн. – М.: ООО Фирма «Издательство АСТ», 1999.
5. Я познаю мир: Дет. энцикл.: Космос/ Авт.- сост. Т.И. Гонтарук – М.: ООО Фирма «Издательство АСТ», 1999. с. 355-358.
6. Энциклопедический словарь юного физика. Педагогика, 1984. с. 286.
7. Энциклопедический словарь юного астронома. Педагогика, 1986. с. 298-301.
8. Новости про космос и НЛО // Персональный сайт // (дата обращения: 15.10.13)
9. WWalls.RU: обои для рабочего стола. Космос // Персональный сайт// (дата обращения: 15.10.13)

В новом видеоуроке астрономии профессор расскажет о том, как образуются чёрные дыры и чем они опасны.

Как образуются чёрные дыры

Чёрные дыры нельзя потрогать, и по ним нельзя прогуляться. Чёрными дырами называют области в пространстве времени, которые образуют сверхмощное притяжение. Притяжение искривляет пространство и время, это значит, что внутри чёрной дыры нет прямых линий, пространство скомкано и переплетено. Если рядом с чёрной дырой образуется звезда, то гравитационные силы чёрной дыры разорвут звезду на части и та пропадёт в недрах дыры. Если что-то попало в чёрную дыру, то там навсегда и остаётся. Чтобы преодолеть мощное притяжение чёрной дыры необходимо развить скорость большую, чем скорость света, но это, увы, невозможно. Учёные точно не знают, как образуются сверхмассивные чёрные дыры, но с обычными чёрными дырами всё более-менее ясно. В процессе эволюции звезды происходит постепенное выгорание водорода, соответственно его количество уменьшается, что приводит к тому, что сила светового давления начинает превосходить силу гравитационного сжатия. Звезда сильно увеличивается в размерах и превращается в красный гигант, который впоследствии взрывается. После взрыва начинается сжатие, далее звезда остывает и её становится непосредственно не видно. Но, если масса остатка красного гиганта превосходит солнечную массу в 2-2,5 раза, то его сжатие остановиться не может, поскольку гравитационная сила полностью подавляет сопротивление сжатию, в результате этот остаток сжимается в плотное крошечное тело, как бы замыкается в себе. И именно в этот момент гравитационного коллапса (сжатия) образуются чёрные дыры. В результате оказывается, что масса сосредотачивается в такой малой области, что даже скорости свете не достаточно для того, чтобы покинуть её окрестность. Отсюда первая часть названия — чёрная, поскольку она способна поглотить даже свет. Вторая же часть — дыра — означает, что всё, что попадает в область чёрной дыры, становится навсегда недоступным наблюдению.

Ты, наверное, видел фантастические фильмы, где герои, путешествуя в космосе, попадают в другую вселенную? Чаще всего дверкой в иной мир становятся загадочные космические черные дыры. Оказывается, в этих историях есть доля правды. Так утверждают ученые.

Когда в самом центре звезды - в её ядре, заканчивается топливо, все её частички становятся очень тяжелыми. И тогда, вся планета обрушивается в центр себя. Это вызывает мощную ударную волну, которая разрывает внешнюю, ещё горящую, оболочку звезды и она взрывается ослепительной вспышкой. Одна чайная ложка маленькой потухшей звездочки весит несколько миллиардов тонн. Такая звезда называется нейтронной . А если звезда больше нашего солнца в двадцать-тридцать раз ее разрушение приводит к образованию самого странного явления во вселенной - черной дыры .

Притяжение в Черной дыре настолько сильное, что захватывает в себя планеты, газы и даже свет. Черные дыры невидимы, их можно найти лишь по огромной воронке из космических тел, летящих в неё. Только вокруг некоторых дыр образуется яркое сияние. Ведь скорость вращения очень велика, частички небесных тел нагреваются до миллионов градусов и ярко светятся

Космическая черная дыра притягивает все объекты, закручивая их по спирали. Приближаясь к черной дыре, объекты начинают ускоряться и вытягиваться, словно огромные спагетти. Сила притяжения постепенно растет и в какой-то момент становится настолько чудовищной, что ничто уже не может преодолеть её. Эта-то граница называется горизонтом событий. Любое событие, которое произойдёт за ним - останется невидимым навсегда.

Ученые предполагают, что черные дыры могут создавать в космосе туннели - «кротовые норы». Если в неё попадешь, то сможешь пройти сквозь пространство и очутиться в другой Вселенной, где существует противоположная белая дыра. Может когда-нибудь раскроется эта тайна и на мощных космических кораблях люди будут путешествовать в других измерениях.

Понятие чёрной дыры известно всем - от школьника до людей преклонного возраста, оно используется в научной и фантастической литературе, в желтых СМИ и на научных конференциях. Но что конкретно представляют собой такие дыры, известно далеко не всем.

Из истории чёрных дыр

1783 г. Первая гипотеза существования такого явления, как чёрная дыра, была выдвинута в 1783 году английским учёным Джоном Мичеллом. В своей теории он объединил два творению Ньютона - оптику и механику. Идея Мичелла была такова: если свет - это поток мельчайших частиц, то, как и все другие тела, частицы должны испытывать притяжение гравитационного поля. Получается, чем массивнее звезда, тем сложнее свету противиться её притяжению. Через 13 лет после Мичелла, французский астроном и математик Лаплас выдвинул (скорее всего, независимо от британского коллеги) схожую теорию.

1915 г. Однако, все их труды оставались невостребованными вплоть до начала XX века. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности и показал, что гравитация есть искривление пространства-времени, вызванное материей, а спустя несколько месяцев немецкий астроном и физик-теоретик Карл Шварцшильд использовал её для решения конкретной астрономической задачи. Он исследовал структуру искривленного пространства-времени вокруг Солнца и заново открыл феномен чёрных дыр.

(Джон Уилер ввел в научный обиход термин "Чёрные дыры")

1967 г. Американский физик Джон Уилер обрисовал пространство, которое можно скомкать, подобно листику бумаги, в бесконечно малую точку и обозначил термином "Чёрная дыра".

1974 г. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры, хоть и поглащают метерию без возврата, могут испускать излучение и в конце концов испаряться. Такое явление получило название "излучение Хокинга".

Наше время. Новейшие исследования пульсаров и квазаров, а также открытие реликтового излучения, наконец сделали возможным описать само понятие чёрных дыр. В 2013 году газовое облако G2 приблизилось на очень близкое расстояние к Чёрной дыре и скорее всего будет поглощено ей, наблюдения за уникальным процессом даст огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр.

Чем на самом деле являются чёрные дыры

Лаконичное объяснение феномена звучит так. Чёрная дыр - это пространственно-временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты.

Когда-то чёрная дыра была массивной звёздой. Пока термоядерные реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается и небесное тело, под действием собственной гравитации, начинает сжиматься. Завершающий этап этого процесса - схлопывание звездного ядра и образование чёрной дыры.

• 1. Выбрасывание черной дырой струи на высокой скорости


• 2. Диск материи перерастает в чёрную дыру


• 3. Чёрная дыра


• 4. Детальная схема региона чёрной дыры


• 5. Размер найденных новых наблюдений

Самая распространённая теория гласит, что подобные феномены есть в каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна удерживать вокруг себя несколько галактик, не давая им удаляться друг от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет.

Радиус Шварцшильда

Главное свойство чёрной дыры - любое вещество, которое в неё попало, никогда не сможет вернуться. Это же касается и света. По своей сути дыры - это тела, которые полностью поглощают весь попадающий на них свет и не испускающие собственного. Такие объекты визуально могут казаться сгустками абсолютной темноты.

• 1. Движущаяся материя в половину скорости света


• 2. Фотонное кольцо


• 3. Внутреннее фотонное кольцо


• 4. Горизонт событий в чёрной дыре

Отталкиваясь от Общей теории относительности Эйнштейна, если тело приблизилось на критическое расстояние к центру дыры, оно уже не сможет вернуться. Это расстояние называют радиусом Шварцшильда. Что именно происходит внутри этого радиуса доподлинно неизвестно, но есть наиболее распространенная теория. Считается, что всё вещество чёрной дыры концентрируется в бесконечно малой точке, а в её центре находится объект с бесконечной плотностью, который ученые именуют сингулярным возмущением.

Как происходит падение в чёрную дыру

(На картинке чёрная дыра Стрельца А* выглядит крайне ярким скоплением света)

Не так давно, в 2011 году, ученые обнаружили газовое облако, дав ему несложное название G2, которое испускает необычные свет. Такое свечение может давать трение в газе и пыли, вызываемое действием чёрной дыры Стрельца А* и которые вращаются вокруг нее в виде аккреционного диска. Таким образом, мы становимся наблюдателями удивительного явления поглощения сверхмассивной чёрной дырой газового облака.

По последним исследованиям наибольшее сближение с черной дырой произойдет в марте 2014 года. Мы можем воссоздать картину того, как будет происходит это захватывающее зрелище.

• 1. При первом появлении в данных газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.


• 2. Сейчас по состоянию на июнь 2013 года облако находится в десятках миллиардов километров от чёрной дыры. Оно падает в неё со скоростью 2500 км/с.


• 3. Ожидается, что облако пройдет мимо чёрной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставят его принимать всё более вытянутую форму.


• 4. После того, как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нём ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.


• 5. Часть облака упадёт прямо в чёрную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто не увидит.

Видео: чёрная дыра поглощает газовое облако

(Компьютерное моделирование того, как большая часть газового облака G2 будет разрушено и поглощено чёрной дырой Стрельцом А*)

Что там внутри чёрной дыры?

Есть теория, которая утверждает, что чёрная дыра внутри практически пуста, а вся её масса сосредоточена в невероятно маленькой точке, находящейся в самом её центре - сингулярности.

Согласно другой теории, существующей на протяжении полувека, всё, что попадает в чёрную дыру, переходит в другую вселенную, находящуюся в самой чёрной дыре. Сейчас это теория не является основной.

И есть третья, самая современная и живучая теория, по которой всё, что попадает в чёрную дыру, растворяется в колебаниях струн на её поверхности, которую обозначают, как горизонт событий.

Так что же такое - горизонт событий? Внутрь чёрной дыры заглянуть нельзя даже сверхмощным телескопом, так как даже свет, попадая внутрь гигантской космической воронки, не имеет шансов вынырнуть назад. Всё, что можно хоть как-то рассмотреть, находится в её ближайших окрестностях.

Горизонт событий - это условная линия поверхности, из под которой ничто (ни газ, ни пыль, ни звезды, ни свет) выйти уже не сможет. И вот это и есть та самая таинственная точка невозврата в чёрных дырах Вселенной.