Материал:

Сначала предположили, что это сигналы от запущенного кем спутника, затем начали подозревать, что наконец удалось принять сигналы от внеземной цивилизации. Вскоре было открыто еще три пульсирующих радиоисточников, которые получили название "пульсаров".

В наше время природа пульсаров и нейтронных звезд трактуется так: к концу жизни звезды, когда исчерпывается все ядерное топливо, содержащийся в ней, звезда прекращает свое существование одним из нескольких способов. Звезда с малой массой просто сжимается и превращается в белого карлика. Звезда со средней массой также может превратиться в белого карлика, сбросив значительную часть своего вещества; при этом может образоваться планетарная туманность. Звезды с массами от 1,5 до 2,25 солнечных масс становятся нейтронными, а наиболее массивные превращаются в черные дыры.

У1934 году Бааде и Цвикки выяснили, что могло бы происходить с мертвыми звездами, масса которых составляет от 1,5 до 2 масс Солнца. Так как давление вырожденных электронов недостаточно, чтобы остановить сжатие, звезда становится все меньше и меньше. Давление и плотность растут, пока электрон не подавятся внутрь атомных ядер, из которых состоит звезда. Отрицательно заряженные электроны, соединяясь с положительно заряженными протонами, превращаются в нейтроны. Со временем, когда вся звезда становится по составу нейтронной, принцип запрета Паули снова начинает играть важную роль. Силы взаимодействия между нейтронами вызывают появление давления вырожденных нейтронов. Этот новый, еще более сильное давление способен остановить сжатие звезды и приводит к появлению нового объекта - нейтронной звезды.

В 1054 году астрономы Древнего Китая отметили появление на небе "звезды-гости" в созвездии Тельца. Яркость этой новой звезды была столь велика, что ее можно было увидеть в солнечный день. Затем она стала ослабевать и вскоре стала совсем невидимой для невооруженного глаза; '

Когда современные астрономы направили свои телескопы на то место неба, где согласно древним хроникам появилась "звезда-гостья», они нашли замечательную Крабовидную туманность - свидетельство взрыва сверхновой.

В 1968 г.. На астрономов ждала новая радость: было обнаружено пульсар, расположенный как раз посередине Крабовидной туманности. Импульсы радиоизлучения приходят от него примерно ЗО раз в секунду. Это открытие дало повод для предположения, что умирающие звезды каким-то образом связаны с пульсарами.

Практически все звезды вращаются - и все они, вероятно, имеют магнитные поля. В обычных условиях оба свойства достаточно несущественными. Например, Солнце делает один оборот вокруг своей оси примерно за месяц. К тому же его магнитное поле достаточно слабое. Однако если Солнце или подобного ему звезда станет сжиматься до размеров нейтронной звезды, то оба эти свойства приобретают исключительно важное значение. Чтобы понять причину этого, представим себе фигуристку, которая выполняет пируэт на поверхности льда. Прижимая к себе руки ,, фигуристка увеличивает скорость вращения. Это - прямое следствие закона сохранения момента импульса. Аналогично, если большая звезда сжимается до малого объема, то скорость ее вращения стремительно растет.

Когда звезда очень велика, ее магнитное поле распределяется по большой площади, поэтому напряженность поля незначительна. Однако, умирая, звезда уменьшается в размерах. То магнитное поле, сначала были распределены на большой площади, сосредоточивается на нескольких сотнях квадратных километров. Напряженность поля в результате этого увеличивается. Если бы Солнце подверглось сжатия до размеров нейтронной звезды, то напряженность его магнитного поля увеличилась 6 в миллиард раз.

Итак, сама нейтронная звезда очень мала - 15-20 км в диаметре. Скорость ее вращения чрезвычайно велика. Нейтронная звезда состоит из тяжелых, устойчивых элементарных частиц - нейтронов и гиперонов. Строение нейтронной звезды необычная. Под тонкой плазменной оболочкой является твердая кора, прочность которой намного больше от прочности стали. Иногда она по разным причинам испытывает сотрясений, что позволяет астрономам употреблять термин "зиркотрус". Глубже, под твердой корой, находится слой из сверхпроводящей и сверхтекучей жидкости, который состоит из протонов и нейтронов. Ядро нейтронной звезды при температуре около одного миллиарда градусов имеет плотность 1015 г / см3.

Хотя в недрах звезды содержатся преимущественно нейтроны, однако на ее поверхности много заряженных частиц. Когда эти заряженные частицы попадают в зону действия сильных магнитных полей у северного и южного магнитных полюсов звезды, они ускоряются и излучают магнитные волны значительной интенсивности в виде двух пучков. Так как звезда вращается, то эти два пучка излучения должны кружить по небу. Периодически такой прожектор вроде освещает Землю. Излучение нейтронной звезды астрономы фиксируют как колебания с очень коротким периодом. В таких случаях нейтронные звезды называют пульсарами. В настоящее время известно уже более ста пятидесяти пульсаров.

Судьба пульсара похожа на судьбу других звезд. Постепенно вращения пульсара замедляется; энергия, которую он излучал, рассеивается безвозвратно в просторное и жизнь звезды заканчивается естественной смертью - полным истощением всех видов внутренней энергии.

Черные дыры

Еще в 1795 году великий французский математик Пьер Симон Лаплас пришел к выводу, что свет не может покинуть тело, если последнее достаточно массивное или очень сильно сжатый. К середине 60-х годов XX века астрофизикам удалось выяснить структуру звезд и ход их эволюции. Выяснилось, что черные дыры - это один из трех возможных вариантов конечной стадии эволюции звезд. Это то, что остается после катастрофического гравитационного коллапса массивной звезды, когда она умирает. В случае коллапса напряженность силы притяжения над ее поверхностью становится настолько большой, что пространство-время вокруг звезды сворачивается, и звезда исчезает из Вселенной, оставляя после себя только чрезвычайно искривленный ячейка пространства-времени.

На значительном расстоянии от черной дыры пространство-время почти плоский и световые лучи распространяются прямолинейно. Утверждение, что черные дыры являются угрозой для нас, совсем не обоснованы. Черные дыры не могут перемещаться во Вселенной и то там, то деинше поглощать планеты, звезды и галактики. Всего за несколько тысяч километров от черных дыр, которые имеют массу, равную примерно 10-20 солнечных масс, пространство-время практически плоский и релятивистские эффекты незначительны.

Чем ближе к черной дыре проходят лучи света, тем на больший угол они отклоняются. Можно даже направить луч света в направлении черной дыры таким образом, что это свет попадет на круговую орбиту вокруг дыры и поглощен. Эта область называется фотонной сферой, или фотонной окружностью. Наконец, те лучи света, которые нацелены прямо в черную дыру, "всасываются" в нее. Эти лучи навсегда оставляют внешний мир. Такое поведение свойственно простейшем из возможных типов черных дыр. В 1916 году немецкий астроном Шварцшильд предложил точное решение уравнений гравитационного поля Эйнштейна. Это решение Шварцшильда описывает сферически симметричную черную дыру, которая имеет только массу. Умирающая звезда, порождением которой является черная дыра, не вращается и не должна иметь ни электрического заряда, ни магнитного поля.

Понять природу шварцшильдивськои черной дыры можно, рассмотрев умирающую массивную звезду (но такую, которая не вращается и не имеет заряда) в процессе гравитационного коллапса. Представим, что кто-то стоит на поверхности такой умирающей звезды, у которой только иссякло ядерное топливо. Непосредственно перед началом коллапса наш наблюдатель берет мощный прожектор и направляет его лучи в разные стороны. Так как вещество звезды до сих пор была распределена в достаточно большом объеме, гравитационное поле у поверхности звезды остается довольно слабым. Поэтому луч прожектора распространяется прямолинейно или почти прямолинейно. Однако после того, как начался процесс коллапса, вещество звезды сжимается внутри все менее и менее объема. С уменьшением размеров звезды тяжести на ее поверхности возрастает все больше и больше. Увеличение кривизны пространства-времени приводит к отклонению светового луча от предыдущего прямолинейного распространения. Сначала лучи, излучаемые прожектор под малым углом к горизонту, отклоняются вниз к поверхности. Но позже, в связи с развитием коллапса, нашему исследователю приходится направлять лучи все ближе к вертикали, чтобы они могли навсегда уйти от звезды. В конце концов, на определенной критической стадии коллапса исследователь обнаружит, что уже ни один луч не может оставить звезду. Как бы наш у исследователя направлял свой прожектор, его луч все равно изменяет свое направление так, что снова попадает вниз, на звезду. Тогда говорят, что звезда прошла свой горизонт событий. Ничто из того, что оказалось за горизонтом событий. не может попасть наружу, даже свет. Наш исследователь буквально исчезает из внешней Вселенной.

Термин "горизонт событий" - очень удачное название для той поверхности в пространстве-времени, из которой ничто не может освободиться. Это действительно "горизонт", по которому все события исчезают для нас. Иногда горизонт событий, который окружает черную дыру, называют ее поверхностью.

Зная решение Шварцшильда, можно рассчитать положение горизонта событий, окружающего черную дыру. Например, диаметр сферы горизонта событий черной дыры, которая имеет массу 10 солнечных масс, составляет около 60 км. Как только умирающая звезда сожмется до диаметра 60 км, пространство-время испытывает столь сильного искажения, вокруг звезды возникает горизонт событий. В результате звезда исчезает.

На момент, когда умирающая звезда уйдет за свой горизонт событий, ее размеры еще довольно велики, но никакие физические силы уже не могут остановить ее дальнейшее сжатие. И звезда в целом продолжает сжиматься, пока, наконец, не прекратит свое существование в точке, соответствующей центру черной дыры. В этой точке бесконечный давление, бесконечная плотность и бесконечная кривизна пространства-времени. Это "место" в пространстве-времени называется сингулярностью.

"Сворачивание" звезды происходит очень быстро - примерно за с. Всего мгновение - и бывшая яркая звезда становится совсем черной.

Одновременно с быстрым ослаблением яркости умирающей звезды "вступает в игру" и другой важный эффект. Дело в том, что притяжение вызывает замедление течения времени. Этот эффект называется гравитационным красным смещением, так как свет, который излучают атомы, погруженные в гравитационное поле, "смещается" в сторону более длинных волн. Поэтому для астронома, наблюдающего со стороны, звезда в состоянии коллапса становится одновременно и слабой, и такой, что все больше света излучает в диапазоне длинных ("красных") волн.

Замедление хода времени, которое почти невозможно заметить в слабом гравитационном поле Земли, становится в процессе образования черной дыры фактором фундаментальной важности. Ведь на самом горизонте событий время полностью останавливается. Объясняя этот факт, нужно быть очень осторожным. Проиллюстрируем ситуацию. Представим, что мы бросили камень в черную дыру. Допустим, мы выпустили этот камень из рук, находясь очень далеко от черной дыры, где пространство-время почти плоский. Наблюдая движение камня, мы увидим, что по мере приближения к черной дыры он падает все быстрее и быстрее. Если бы ньютоновская теория была правильной, то наш камень продолжал бы увеличивать скорость, и в момент врезки в сингулярность он двигался бы практически с бесконечной скоростью. Но в столь сильных гравитационных полях ньютоновская теория не может дать правильный ответ. Оказывается, что когда камень приближается к горизонту событий, начинается стремительное замедление времени. Мы, к своему удивлению, обнаружим, что камень начинает падать все медленнее и совсем останавливается на горизонте событий, так как на этом горизонте для внешнего наблюдателя перестает двигаться время.

Итак, мы никогда не увидим этого события - как камень пересекает горизонт событий. Однако тот, кто падает вместе с камнем, будет наблюдать совсем другую картину. Наблюдатель в состоянии свободного падения не сможет заметить замедление времени. Объяснить эту странную ситуацию можно следующим образом: все, что видит наблюдатель в состоянии свободного падения, замедляется в той же пропорции, включая даже его пульс и темп старения.

Часы наблюдателя, находящегося в состоянии свободного падения, отсчитывают время в своем обычном темпе. Поэтому наблюдатель очень быстро (за своими часами) проскакивает горизонт событий. Однако сразу после прохождения горизонта он обнаруживает, что не все в порядке. Подобно тому, как на горизонте событий остановилось время для внешнего наблюдателя, внутри горизонта время меняется ролями с пространством. У нас на Земле человек способен перемещаться в трех пространственных измерениях. Однако во временном измерении мы не в состоянии "ходить" туда и назад. Мы постоянно идем во времени только вперед от рождения до смерти - хотим мы этого или не хотим. '

Внутри же горизонта событий пространство и время меняются ролями. Неудачника-космонавта. попавшего под горизонт событий, начинает постоянно затягивать в пространство навстречу сингулярности.

Чтобы избежать путаницы, связанной с измерением времени, физики вводят два типа времени - координатная и собственный. Координатная время - время, которое измеряет наблюдатель, находящийся вдали от черной дыры. Собственное время - это то время, который определяет по своему часами наблюдатель, находясь в состоянии свободного падения. Времена эти отличаются.

Хотя в случае коллапса звезды и появления черной дыры и теряется огромное количество информации, все-таки кое-что остается и извне. Например, сильнее искривление пространства-времени вокруг черной дыры указывает на то, что здесь умерла звезда. С массой мертвой звезды связан диаметр фотонной сферы и горизонт событий.

В конце 1960-х годов астрофизики напряженно работали над проблемой: информация о которых свойства черных дыр сохраняется, а о каких - теряется в них? Результатом их усилий знаменитая теорема о том, что "в черной дыры нет волос". Удаленный наблюдатель может определить массу, заряд и момент количества движения черной дыры. Так вот, оказалось, что если задать массу, электрический заряд и момент количества движения, то о черной дыре уже будет известно все - у нее просто нет других свойств. Таким образом, черные дыры - это очень простые объекты, для их описания требуется гораздо меньше характеристик, чем, скажем, для описания звезд. Удивительно, но в черной дыры совсем нет волос!

Источник: https://studbooks.net/7244/estestvoznanie/kontseptsii_sovremennogo_estestvoznaniya

Смотрите также:








ЦЕНОВАЯ ПОЛИТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРИМЕРЕ ООО «ДНС РИТЕЙЛ»
_archivetempпротивовоспалительные
_Роджерс Карл, Брак и его альтернативы