Современная наука о космосе

Министерство образования и науки РФ Лицей НГТУ

Реферат на тему

Современная наука о космосе

Группа: Л11- 2

Выполнили:

Вотрин Андрей

Ляшенко Артём

Преподаватель:

Оценка:

Новосибирск 2009

Введение. 3

1 Основные определения и понятия. 7

2 Тёмная Энергия. 15

2.1 Открытие тёмной энергии. 15

2.2 Сверхновые звёзды и ускоряющаяся Вселенная. 16

2.3 Природа тёмной энергии. 17

3 Темная Материя. 18

3.1 Скрытая масса и космологические параметры: проблема тёмной энергии. 19

4 Барион. 21

5 Чёрные Дыры.. 24

5.1 Основные свойства. 25

5.2 Падение в чёрную дыру. 26

5.3 Сверхмассивные чёрные дыры.. 28

5.4 Первичные чёрные дыры.. 28

5.5 Квантовые чёрные дыры.. 29

6 Интересные объекты Вселенной. 30

6.1 Растворяющаяся планета. 30

6.2 Радиогалактика. 30

6.3 Туманности. 31

7 Общая теория относительности. 34

7.1 Основные принципы общей теории относительности. 34

7.2 Кривизна пространства-времени. 35

7.3 Предсказания общей теории относительности. Гравитационные эффекты. 36

Заключение. 38

Список первоисточников. 39

Введение

«Две вещи наполняют душу постоянно новым и возрастающим удивлением и благоговением и тем больше, чем чаще и внимательнее занимается ими размышление: звездное небо надо мной и нравственный закон во мне. То и другое, как бы покрытые мраком или бездною, находящиеся вне моего горизонта, я не должен исследовать, а только предполагать; я вижу их перед собой и непосредственно связываю их с сознанием своего существования.»

И. Кант.

Примерно за четыре тысячелетия до новой эры в долине Нила возникла одна из древнейших на Земле цивилизаций - египетская. Ещё через тысячу лет, после объединения двух царств (Верхнего и Нижнего Египта), здесь сложилось мощное государство. К тому времени, которое называют Древним царством, египтяне уже знали гончарный круг, умели выплавлять медь, изобрели письменность. Именно в ту эпоху были сооружены пирамиды. Тогда же, вероятно, появились египетские календари: лунно-звёздный - религиозный и схематический - гражданский. Обитатели долины Нила, где нет настоящей зимы, делили год на три сезона, которые зависели от поведения реки. Первый сезон - "ахет" (что в переводе с языка древних египтян означает "наводнение") - совпадал с разливом Нила. В то время, с июля по октябрь, река затопляла низины. Следующий сезон, длившийся тоже около четырёх месяцев, назывался "перет" (появление суши). Вода спадала, увлажнив землю и удобрив её илом; сезон начинался севом и заканчивался сбором урожая. С марта со стороны Сахары полтора месяца дули иссушающие ветры, и наступал последний сезон года, "тему" (отсутствие воды). С Нила, от которого зависела вся жизнь египтян, и началась астрономия этой древней цивилизации. "Египет - это дар Нила", - писал древнегреческий историк Геродот. Египетские жрецы-астрономы заметили, что незадолго до начала подъёма воды происходят два события: летнее солнцестояние и первое появление Сириуса на утренней заре после 70-дневного отсутствия на небосводе. Сириус, самую яркую звезду неба, египтяне назвали именем богини Сопдет. Греки произносили это имя как "Сотис"[5].

К тому времени в Египте существовал лунный календарь из 12 месяцев по 29 или 30 дней - от новолуния до новолуния. Чтобы его месяцы соответствовали сезонам года, раз в два-три года приходилось добавлять тринадцатый месяц. Сириус "помогал" определять время вставки этого месяца. Первым днём лунного года считался первый день новолуния, наступавший после возвращения этой звезды. Такой "наблюдательный" календарь с нерегулярным добавлением месяца плохо подходил для государства, где существовали строгий учёт и порядок Поэтому для административных и гражданских нужд был введён так называемый схематический календарь. В нём год делился на 12 месяцев по 30 дней с добавлением в конце года дополнительных пяти дней, т. е. содержал ровно 365 дней. Египтяне знали, что истинный год на четверть дня больше, чем введённый, и достаточно добавить в каждом четвёртом, високосном, году вместо пяти дополнительных дней шесть, чтобы согласовать его с сезонами. Но этого сделано не было. За 40 лет, т. е. за жизнь одного поколения, календарь уходил вперёд на десять дней, не на такую уж заметную величину, и писцы, управлявшие хозяйством, могли без труда приспособиться к медленным изменениям дат наступления сезонов. Через какое-то время в Египте появился и ещё один лунный календарь, приспособленный к скользящему гражданскому. В нём дополнительные месяцы вставлялись так, чтобы удержать начало года не вблизи момента появления Сириуса, около начала гражданского года. Этот "блуждающий" лунный календарь использовался наряду с двумя другими.

Возникнув в начале Древнего царства, гражданский календарь продержался в Египте вплоть до вхождения страны в состав Римской империи, хотя его пытались исправить, вводя високосные годы. Даже греческим царям из династии Птолемеев не удалось преодолеть силу традиции. В Древнем Египте существовала сложная мифология с множеством богов. Астрономические представления египтян были тесно связаны с ней. Согласно их верованиям, в середине мира находился Геб, один из прародителей богов, кормилец и защитник людей. Он олицетворял Землю. Жена и сестра Геба, Нут, была самим Небом. Её называли Огромной матерью звёзд и Рождающей богов. Считалось, что она каждое утро проглатывает светила и каждый вечер рождает их вновь. Из-за этой её привычки когда-то произошла ссора Нут и Геба. Тогда их отец Шу, Воздух, поднял Небо над Землёй и разлучил супругов. Нут была матерью Pa (Солнца) и звёзд и управляла ими. Ра в свою очередь создал Тота (Луну) как своего заместителя на ночном небе. Согласно другому мифу, днём Ра плывёт по небесному Нилу и освещает Землю, а вечером спускается в Дуат (преисподнюю). Там он путешествует по подземному Нилу, сражаясь с силами мрака, чтобы утром вновь появиться на горизонте. Ра изображался в образе сокола, а иногда в виде огромного кота. Его символом также был обелиск. Сохранились таблицы с указанием звёзд и их положений для каждого из 12 часов ночи. Положения обозначались фразами: "напротив сердца" (посередине фигуры), "над правым глазом", "над левым ухом", "над правым плечом" - всего семь положений. Как и первые два, этот способ определения времени, привязанный к скользящему календарю, требовал постоянного обновления таблиц и оказался недолговечным.

В Карнаке, около Фив, были найдены самые древние египетские водяные часы. Они изготовлены в ХIV в. до н. э. По-видимому, такие часы были известны лет за 300 до того: они появились незадолго до изобретения последних звёздных часов. Водяные часы, которые греки позднее назвали клепсидрой, представляли собой чашу с небольшим отверстием, из которого понемногу вытекала или капала вода. На внутренней стороне чаши помещались шкалы, по которым можно было судить, сколько времени "утекло". Египтяне той эпохи делили ночь и день на 12 часов, и часы получались разными в зависимости от сезонов. Поэтому в каждом месяце пользовались отдельной шкалой с его названием. Шкал было 12, хотя хватило бы 6, поскольку длины дней, находящихся на одном расстоянии от солнцестояний, практически одинаковы. Но египтяне были пленниками традиций и крайне неохотно шли на изменения первоначальных конструкций. Часы заполнялись водой в начале ночи, причём точкой отсчёта мог служить, например, заход Солнца, а дальше в ходе службы жрецам уже не нужно было смотреть на небо. Водяные часы не могли обойтись без регулировки. Вероятно, для этого отверстия клепсидр залепляли воском, в котором прокалывали дырочку нужного размера. Но требовалось ещё согласование "хода" этих часов с действительной длиной дня, т. е. нужны солнечные часы. Главными солнечными часами в Египте были, конечно, обелиски, посвящённые Солнцу-Ра. Такой астрономический прибор в виде вертикального столба называется гномон. Это первый инструмент, позволивший измерить высоту Солнца над горизонтом по длине тени. Так египтяне дополнили древнейшую "горизонтальную" астрономию вертикальным нахождением угловой высоты, тогда как в Стоунхендже измерялись только азимуты светил. Когда тень от гномона становилась самой короткой, наступал полдень. Остальные часы дня эти обелиски показывали не так точно.

Древние египтяне, как и все народы, делили небо на созвездия. О египетских созвездиях мы можем судить по упоминаниям в текстах и по рисункам на потолках храмов и гробниц. Египетские созвездия не похожи ни на вавилонские, ни на древнегреческие. Всего их известно 45. Сохранившиеся росписи потолков не образуют звёздной карты, и положение египетских созвездий на небе удаётся определить лишь приблизительно. Упоминаются, например, Мес (вероятно, Большая Медведица, которая изображалась в виде ноги быка); созвездие АН в виде фигуры с головой сокола, пронзающей копьём созвездие Мес; созвездие Бегемотихи, за которой изгибается огромный Крокодил. В древних текстах околополярные незаходящие созвездия именовались "неразрушимыми". Планеты египтянам были известны с давних времён. Египетские жрецы рано смогли разделить их на две группы. Верхние планеты, которые можно наблюдать в противостоянии Солнцу, считались воплощениями бога Хора. Так, Юпитер назывался "Хор, который освещает обе Земли", Сатурн - "Хор - бык небес", а Марс - "Красный Хор". Каждую из нижних планет, которые видны то утром, то вечером, египтяне, видимо, уже с середины II тысячелетия до н. э. знали как одно светило. Древнее название Венеры переводится как "Пересекатель", т. с. звезда, пересекающая путь Солнца. О Меркурии говорилось как о боге вечерних и утренних сумерек. Казалось бы, египетская астрономия не может похвастаться особыми достижениями. Египтяне, оседлый народ, живший в неширокой речной долине, не нуждались в астрономических методах ориентирования. Сроки сельскохозяйственных работ египтянам подсказывала река, и достаточно было установить момент начала её разлива, чтобы, не глядя на небо, знать, что будет дальше.[5]

Жрецы наблюдали звёзды в основном для измерения ночного времени, а писцы ввели упрощённый календарь, который не был привязан к сезонам и как бы пренебрегал астрономией. Тем не менее, именно" на египетской земле, в Александрии, работали позднее греческие учёные, заложившие основы современной астрономии. Здесь трудились Аристарх Самосский, Тимохарис, Эратосфен, именно здесь написал свой знаменитый астрономический труд Клавдий Птолемей. Оказала ли на них влияние наука Египта? Несомненно, и именно в той части, где она ушла от слепого следования за периодическими изменениями неба. Схематический календарь не следовал за сезонами, однако он послужил идеальной равномерной шкалой для определения интервалов между затмениями, наблюдавшимися через много лет одно после другого. Именно этим календарём пользовался в своих расчётах Птолемей, а позже и сам Коперник Египетская идея не зависящего от продолжительности дня часа легла в основу всех астрономических наблюдений. Пользуясь сейчас одинаковыми для каждого времени года часами, составляющими 1/24 длины суток, стоит помнить, что этот счёт времени был предложен миру древними египтянами.

Цель работы состоит в проведении поиска и подборки информации по соответствующей теме. Ознакомление с основными положениями существующей на сегодняшний день современной науки о космосе.

Эта тема нами выбрана неслучайно. На сегодняшний день было сделано множество интересных и познавательных открытий в области космоса, теория о создании и развитии вселенной полностью изменилась. В связи с нарастающим интересом в области астрофизики, данная тема нам кажется очень актуальной на сегодняшний день.

1 Основные определения и понятия

Наш с вами загадочный мир состоит из частиц, будь то молекулы или атомы. Вплоть до 20 века люди не могли себе представить всё многообразие видов частиц на земле. Частицы, казалось бы неделимые, имели более сложное строение. На сегодняшний день можно выделить три порядка элементарных и три порядка составных частиц, представленных в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1 – Элементарные частицы

Фермионы	Кварки, Верхний, Нижний, Странный, Очарованный, Прелестный, Истинный
Лептоны	Электрон, Позитрон, Мюон, Тау-лептон, Нейтрино
Калибровочные бозоны	Фотоны, W - и Z-бозоны, Глюоны
До сих пор не обнаружены	Хиггсовский бозон, Гравитон, Другие гипотетические частицы

Таблица 1.2 – Составные частицы

Адроны	Барионы, Мезоны
Барионы	Нуклоны (Протон, Нейтрон), Гипероны, Экзотические барионы, Пентакварки
Мезоны	Пионы, Каоны, Кварконий, Экзотические мезоны, Атомные ядра, Атомы (Периодическая система элементов), Молекулы

Предлагаю сначала ознакомиться с некоторыми объектами наших исследований:

Фотон (от др. греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия, квант электромагнитного поля. Фотоны обозначаются буквой γ, поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны.

Вселенная — обычно определяется как совокупность всего, что существует физически. Это совокупность пространства и времени, всех форм материи, физических законов и констант, которые управляют ими. Однако термин Вселенная может трактоваться и иначе, как космос, мир или природа.[3]

Реликтовое излучение (или космическое микроволновое фоновое излучение от англ. cosmic microwave background radiation)— космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела

Рисунок 1.1 - Снимок реликтового излучения

Красное смещение— сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может происходить из-за эффекта Доплера, или эффектов ОТО: гравитационного и космологического красного смещения. Красное смещение может также являться следствием сразу нескольких из указанных выше причин. Сдвиг спектральных линий в фиолетовую (коротковолновую) сторону называется фиолетовым смещением. Каждый химический элемент поглощает или излучает электромагнитные волны на строго определённых частотах. Поэтому каждый химический элемент образует в спектре неповторимую картину из линий, используемую в спектральном анализе. В результате эффекта Доплера и/или эффектов ОТО, частота излучения от удалённых объектов, например, звёзд, может изменяться (понижаться или повышаться), а линии соответственно будут смещаться в красную (длинноволновую) или синюю (коротковолновую) часть спектра, сохраняя, однако, своё неповторимое относительное расположение. Смещение линий в красную сторону (обусловленное удалением объекта) и называется "красным смещением".

Рисунок 1.2 – Схема механизма красного смещения

Предел Чандрасекара — верхний предел массы, при котором звезда может существовать как белый карлик. Если масса звезды превышает этот предел, то она становится нейтронной звездой. Существование предела было доказано индийским астрофизиком Субраманьяном Чандрасекаром. В качестве значения обычно берется 1,4 солнечных массы. Строго говоря, предел Чандрасекара — это верхний предел массы холодного невращающегося белого карлика, определяемый условием равенства сил давления вырожденного электронного газа и гравитации. Значение предела обычно обозначается символом .

Постоянная Хаббла — коэффициент, входящий в закон Хаббла, который связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления. Имеет размерность, обратную времени (с-1), но выражается обычно в км/с на мегапарсек. Наиболее надёжная оценка на 2008 год составляет (70,1±1,3) (км/с)/Мпк. В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, но термин «постоянная» оправдан тем, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной постоянная Хаббла одинакова. Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент.

Лептон (греч. λεπτός — лёгкий) — фундаментальная частица с полуцелым спином, не участвующая в сильном взаимодействии. Название «лептон» было предложено Л. Розенфельдом в 1948 году и отражало тот факт, что все известные в то время лептоны были значительно легче тяжёлых частиц, входящих в класс барионов (греч. βαρύς — тяжёлый). Сейчас этимология термина уже не вполне согласуется с действительным положением дел, так как открытый в 1977 тау-лептон примерно в два раза тяжелее самых лёгких барионов (протона и нейтрона).

Существует три поколения лептонов:

-первое поколение: электрон, электронное нейтрино

-второе поколение: мюон, мюонное нейтрино

-третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино

(плюс соответствующие античастицы).

Нейтрино — стабильные нейтральные лептоны с полуцелым спином, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так нейтрино с энергией порядка 3-10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега ~ 1018 м (~ 100 св. лет). Также известно, что без видимых последствий каждую секунду через тело каждого человека на Земле проходит ~ 1014 нейтрино, испущенных Солнцем. В то же время, нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями.

Позитрон (от англ. positive — положительный и «-трон» — часть названия электрона) — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма - квантов.

Адрон (от др. греч. ἁδρός — сильный, тяжёлый; термин предложен советским физиком ) — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными. Адроны делятся на две основные группы в соответствии с их кварковым составом:

-мезоны — состоят из одного кварка и одного антикварка,

-барионы — состоят из трёх кварков трёх цветов, образуя так называемую бесцветную --комбинацию.

Именно из барионов построена подавляющая часть наблюдаемого нами вещества — это нуклоны, составляющие ядро атома и представленные протоном и нейтроном. К барионам относятся также многочисленные гипероны — более тяжёлые и нестабильные частицы, получаемые на ускорителях элементарных частиц. К мезонам относятся пионы (π - мезоны) и каоны (K-мезоны) и многие более тяжёлые мезоны. В последнее время были обнаружены так называемые экзотические адроны, которые также являются сильновзаимодействующими частицами, но которые не укладываются в рамки кварк - антикварковой или трёхкварковой классификации адронов. Некоторые адроны пока только подозреваются в экзотичности. Экзотические адроны делятся на:

-экзотические барионы, в частности пентакварки, минимальный кварковый состав которых 4 кварка и 1 антикварк.

-экзотические мезоны, (адронные молекулы, глюболы и гибридные мезоны).

Квазар (англ. quasar — сокращение от QUASi stellAR radio source — «квази звёздный радиоисточник») — класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» — звёзд. Впервые квазары обнаружили в 1960 году как радиоисточники, совпадающие в оптическом диапазоне со слабыми звездообразными объектами. В 1963 году голландский астроном Мартин Шмидт доказал, что линии в их спектрах сильно смещены в красную сторону. Принимая, что это красное смещение вызвано эффектом Допплера, возникшего в результате удаления квазаров, до них определили расстояние по закону Хаббла. Очень сложно определить точное число обнаруженных на сегодняшний день квазаров. Это объясняется, с одной стороны, постоянным открытием новых квазаров, а с другой — некоторой размытостью границы между квазарами и другими типами активных галактик. В 2005 году группа астрономов использовала в своём исследовании данные о 195 000 квазаров. Ближайший и наиболее яркий квазар (3C 273) имеет блеск около 13m и красное смещение z = 0,158 (что соответствует расстоянию около 2 мл

Анализ и систематизация

Самые далёкие квазары, благодаря своей гигантской светимости, превосходящей в сотни раз светимость нормальных галактик, видны на расстоянии более 10 млрд световых лет. Нерегулярная переменность блеска квазаров на временных масштабах менее суток указывает на то, что область генерации их излучения имеет малый размер, сравнимый с размером Солнечной системы. Последние наблюдения показали, что большинство квазаров находятся вблизи центров огромных эллиптических галактик. Квазары сравнивают с маяками Вселенной. Они видны с огромных расстояний (до красного смещения z=6,4), по ним исследуют структуру и эволюцию Вселенной, определяют распределение вещества на луче зрения: сильные спектральные линии поглощения водорода разворачиваются в лес линий по красному смещению поглощающих облаков. Предположительно квазары представляют собой сверхмассивные чёрные дыры, на которые падает вещество.

Рисунок 1.3 – Квазар

Нейтронная звезда́ — астрономическое тело, один из конечных продуктов эволюции звёзд, состоит из нейтронной сердцевины и тонкой коры вырожденного вещества с преобладанием ядер железа и никеля.

Нейтронные звёзды имеют очень малый размер — 20—30 км в диаметре, поэтому средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8×1017 кг/м³). Массы большинства известных нейтронных звёзд близки к 1,4 массы Солнца, что равно значению предела Чандрасекара. Силы тяготения в нейтронных звёздах уравновешиваются давлением вырожденного нейтронного газа, максимальное значение массы нейтронной звезды задаётся пределом Оппенгеймера — Волкова, численное значение которого зависит от (пока ещё плохо известного) уравнения состояния вещества в ядре звезды. Магнитное поле на поверхности нейтронных звёзд достигает значения 1012—1013 Гс (для сравнения — у Земли около 1 Гс), именно процессы в магнитосферах нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров. Нейтронные звёзды — одни из немногих астрономических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями. Ещё в 1933 году В. Бааде и Ф. Цвикки высказали предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется нейтронная звезда. Но первое общепризнанное наблюдение нейтронной звезды состоялось только в 1968, с открытием пульсаров.[3]

Рисунок 1.4 – Строение нейтронной звезды

Пульсар— космический источник радио-, оптического, рентгеновского, гамма - излучений, приходящих на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков (импульсов). Пульсары были открыты в июне 1967 г. Джоселин Белл, аспиранткой Э. Хьюиша на меридианном радиотелескопе Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета на длине волны 3,5 м (85,7 МГц). За этот выдающийся результат Хьюиш получил в 1974 году Нобелевскую премию. Результаты наблюдений были засекречены на полгода. Это было связано с предположением искусственности строго периодических импульсов радиоизлучения. Пульсар, точнее радиопульсар, представляет собой нейтронную звезду. Она испускает узконаправленные потоки радиоизлучения. В результате вращения нейтронной звезды поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя через равные промежутки времени — так образуются импульсы пульсара. На 2008 год уже известно около 1790 радиопульсаров (по данным каталога ATNF). Ближайшие из них расположены на расстоянии около 0.12 кпк (около 390 световых лет) от Солнца. Несколько позже были открыты источники периодического рентгеновского излучения, названные рентгеновскими пульсарами. Как и радио, рентгеновские пульсары являются сильно замагниченными нейтронными звёздами. В отличие от радиопульсаров, расходующих собственную энергию вращения на излучение, рентгеновские пульсары излучают за счёт аккреции вещества звезды-соседа, заполнившего свою полость Роша. Как следствие, масса пульсара медленно растёт, увеличивается его момент инерции и частота вращения, в то время как радиопульсары со временем, наоборот, замедляются.

Рисунок 1.5 – Пульсар, схематическое изображение

.

Рисунок 1.6 – Изображение Крабовидной туманности в условных цветах (синий — рентгеновский, красный — оптический диапазон). В центре туманности — пульса.

Магнитар (реже магнетар)— нейтронная звезда, обладающая исключительно сильным магнитным полем (до 1011 Тл). Теоретически существование магнитаров было предсказано в 1992 г., а первое свидетельство их реального существования получено в 1998 г. при наблюдении мощной вспышки гамма - и рентгеновского излучения от источника SGR 1900+14 в созвездии Орла. Время жизни магнитаров мало, оно составляет около 10000 лет

Рисунок 1.7 - Магнитар, в представлениях художника

Кротовая нора, также «кротовина» или «червоточина» (последнее является дословным переводом англ. wormhole) — гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве. Область вблизи самого узкого участка кротовины называется «горловиной». Кротовые норы делятся на «внутри-мировые» (англ. intra-universe) и «меж-мировые» (англ. inter-universe) в зависимости от того, можно ли соединить её входы кривой, не пересекающей горловину (на рисунке изображена внутри-мировая кротовая нора). Различают также проходимые (англ. traversable) и непроходимые кротовины. К последним относятся те туннели, которые коллапсируют слишком быстро для того, чтобы наблюдатель или сигнал (имеющие скорость не выше световой) успели добраться от одного входа до другого. Классический пример непроходимой кротовины — пространство Шварцшильда, а проходимой — кротовины Морриса-Торна.

Для существования проходимой кротовой норы необходимо, чтобы она была заполнена экзотической материей (англ.), создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию норы. Проходимая внутри-мировая кротовая нора даёт гипотетическую возможность путешествий во времени, если, например, один из её входов движется относительно другого, или если он находится в сильном гравитационном поле, где течение времени замедляется.

Рисунок 1.8 – Компьютерное изображение кротовой норы

2 Тёмная Энергия

Тёмная энергия (англ. Dark energy) — в космологии гипотетическая форма энергии, имеющая отрицательное давление и равномерно заполняющая всё пространство Вселенной. Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы, но и от давления, причём отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию. Согласно последним данным, обнаружившим ускоренное расширение Вселенной, такая сила действительно действует в космологических масштабах. Тёмная энергия также должна составлять значительную часть т. н. скрытой массы Вселенной. Существует два варианта объяснения сущности тёмной энергии:[3]

-тёмная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство;

-тёмная энергия есть некая квинтэссенция — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

Рисунок 2.1 – Компьютерное изображение галактики

Окончательный выбор между двумя вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния. Разрешение уравнения состояния для тёмной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии. Введение космологической константы в стандартную космологическую модель (т. н. метрика Фримана-Лемэтра-Робертсона-Уокера, FLRW), привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель. Эта модель хорошо соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.

2.1 Открытие тёмной энергии

На основании проведённых в конце 1990-х годов наблюдений сверхновых звёзд типа Ia был сделан вывод, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками. Например, измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва, постоянной Хаббла. Все полученные данные хорошо вписываются в лямбда-CDM модель.

2.2 Сверхновые звёзды и ускоряющаяся Вселенная

Расстояния до других галактик определяются измерением их красного смещения. По закону Хаббла, величина красного смещения света удаленных галактик прямо пропорциональна относительной скорости этих галактик. Соотношение между расстоянием и величиной красного смещения называется параметром Хаббла (или, не совсем точно, постоянной Хаббла). Однако само значение параметра Хаббла требуется сначала каким-то способом установить, а для этого нужно измерить значения красного смещения для галактик, расстояния до которых уже вычислены другими методами. Для этого в астрономии применяются «стандартные свечи», то есть объекты, светимость которых известна. Лучшим типом «стандартной свечи» для космологических наблюдений являются сверхновые звёзды типа Ia. Они обладают очень высокой яркостью и вспыхивают только тогда, когда масса старой звезды типа «белый карлик» достигает предела Чандрасекара, значение которого известно с высокой точностью. Следовательно, все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь одинаковую наблюдаемую яркость. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.

В конце 1990-х годов было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч» (сверхновых Ia), оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла. Предположим, что есть удалённый объект, расстояние до которого от нас, определённое по методу «стандартных свеч», равно DC. Свет, дошедший до нас от объекта, прошёл расстояние DC=D1 + D2, где D1 — первая часть пути, D2 — вторая часть пути. Красное смещение на первой части пути составило R1=H1D1 (где Н1 — значение параметра Хаббла на этом промежутке пути), на второй части пути R2=H2D2 (где H2 — нынешнее значение параметра Хаббла). Если предположить, что H1=H2 (то есть параметр Хаббла постоянен), то расстояние, определённое по закону Хаббла, DH=R1/H2 + R2/H2, должно быть равно DС. Однако, как уже сказано, для удалённых галактик (и их сверхновых типа Ia) оказалось, что DH < DC. Отсюда следует, что H1 < H2.

Был сделан вывод: параметр Хаббла для относительно близких галактик выше, чем для далёких галактик. То есть, параметр Хаббла не оставался постоянным на протяжении значительных промежутков времени (сотни миллионов и миллиарды лет), — он увеличивался, и, следует полагать, продолжает увеличиваться. Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением (см. уравнения состояния). Её назвали тёмной энергией.

2.3 Природа тёмной энергии

Сущность тёмной энергии является предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую плотность, и не взаимодействует сколько-нибудь заметно посредством известных фундаментальных типов взаимодействия — за исключением гравитации. Поскольку гипотетическая плотность тёмной энергии не слишком велика — порядка 10−29 граммов на кубический сантиметр — её вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом (хотя уже были заявления о таком обнаружении). Тёмная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70 % процентов всей энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях) пространство. Существуют две главные модели, объясняющие природу тёмной энергии: «космологическая константа» и «квинтэссенция».

3 Темная Материя

Скрытая масса (англ. Dark matter) (в космологии и астрофизике также тёмная материя, тёмное вещество, тёмная энергия) — общее название совокупности астрономических объектов, недоступных прямым наблюдениям современными средствами астрономии (то есть не испускающие электромагнитного излучения достаточной для наблюдений интенсивности), но наблюдаемым косвенно по гравитационным эффектам, оказываемым на наблюдаемые объекты. По современным представлениям, только около 4,4 % массы Вселенной составляет обычная барионная материя. Приблизительно 23 % приходится на небарионную тёмную материю, не участвующую в сильном и электромагнитном взаимодействии. Она наблюдается только в гравитационных эффектах. В зависимости от скорости частиц различают горячую и холодную тёмную материю.

Рисунок 3.1 – Схематическое изображение Темной Материи

Горячая тёмная материя состоит из частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, по-видимому, из нейтрино. Горячей тёмной материи недостаточно, по современным представлениям, для формирования галактик. Исследование структуры реликтового излучения показало, что существовали очень мелкие флуктуации плотности вещества. Быстро движущаяся горячая тёмная материя не могла бы сформировать такую тонкую структуру.

Рисунок 3.2 – Схематическое изображение

Холодная тёмная материя должна состоять из массивных медленно движущихся (и в этом смысле «холодных») частиц или сгустков вещества. Экспериментально такие частицы не обнаружены. В качестве кандидатов на роль холодной тёмной материи выступают слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP), такие как аксионы и суперсимметричные партнёры-фермионы лёгких бозонов — фотино, гравитино и др. Впервые предположение о существовании материи, взаимодействующей с обычным веществом только через гравитацию, было высказано в начале XX века в связи с аномальным движением Меркурия. Однако эта проблема была решена благодаря теории относительности.

3.1 Скрытая масса и космологические параметры: проблема тёмной энергии

Одной из основных проблем космологии является вопрос о средней кривизне пространства и темпе расширения Вселенной. Если кривизна пространства нулевая или отрицательная, то расширение Вселенной происходит неограниченно (плоская и открытая модели Вселенной); если кривизна положительна, то расширение Вселенной должно смениться сжатием (закрытая модель Вселенной). В свою очередь, в рамках общей теории относительности (ОТО), средняя кривизна пространства Вселенной зависит от её средней плотности, нулевой кривизне соответствует критическая плотность Ωcrit ~ 10-29 г/см³, что эквивалентно примерно 5 атомов водорода на м³. Однако, несмотря на то, что наблюдаемое значение средней плотности светящейся материи Ωvis составляет порядка 1 % от критической, данные наблюдений свидетельствуют о том, что кривизна Вселенной близка к нулю, т. е. Ω довольно близко к Ωcrit В 1917 г. Эйнштейн для обеспечения стационарности (независимости от времени) космологической модели ОТО ввёл космологическую постоянную Λ, действующую в больших масштабах как силу отталкивания, однако в 1922 г. Фридман опубликовал работу по космологической модели нестационарной расширяющейся Вселенной, в которой космологическая постоянная была равна нулю. После открытия Хабблом красного смещения, т. е. космологического расширения, основания для введения космологической постоянной отпали, и сам Эйнштейн в разговоре с Гамовым назвал идею космологической постоянной своим самым большим промахом (biggest blunder) в науке. Вместе с тем, наблюдения сверхновых типа Ia, проведённые в 1998 г. в рамках Supernova Cosmology Project показали, что постоянная Хаббла меняется со временем таким образом, что её поведение можно объяснить соответствующим подбором величины космологической постоянной Λ, вносящей вклад ΩΛ в среднюю плотность Ω. Эта часть скрытой массы получила название тёмной энергии (dark energy).

Рисунок 3.3 - Состав Вселенной по данным WMAP

Интерпретация данных по анизотропии реликтового излучения, полученных в ходе работы WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, 2003 г.) дала следующие результаты. Наблюдаемая плотность Ω близка к Ωcrit и распределение Ω = ΩΛ + Ωvis + Ωdark по компонентам: барионная материя Ωvis — 4,4 %, тёмная холодная материя (WIMP) Ωdark — 23 %, «тёмная энергия» ΩΛ — 72,6 %

4 Барион

Барионы (от греч. βαρύς — тяжёлый) — семейство элементарных частиц, сильно взаимодействующие фермионы, состоящие из трёх кварков (предполагается, но не доказано существование барионов из 5 и большего числа кварков, см. Пентакварк). Барионы вместе с мезонами (последние состоят из двух кварков) составляют группу элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и называемых адронами. К основным барионам относятся (по мере возрастания массы): протон, нейтрон, ламбда-гиперон, сигма-гиперон, кси-гиперон, омега-гиперон. Масса омега-гиперона (3278 масс электрона), почти в 1,8 раз больше массы протона.

Рисунок 4.1 – Компьютерное изображение бариона

Наиболее стабильными барионами являются протон и нейтрон (вместе они составляют группу нуклонов). Первый из них, насколько это сегодня известно, абсолютно стабилен, второй испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с. Более тяжёлые барионы распадаются за время от 10−23 до 10−10 с. Нуклоны имеют кварковый состав uud (протон) и udd (нейтрон). Их спин равен 1/2, странность нулевая. Масса близка к 940 МэВ. Вместе со своими короткоживущими возбуждёнными состояниями нуклоны относятся к группе N-барионов. Барионы, содержащие как минимум один странный кварк (но не содержащие более тяжелых кварков), называются гиперонами. В семействе барионов, кроме нуклонов, выделяют группы Δ-, Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-барионов.

-Δ-барионы (Δ++, Δ+, Δ0, Δ−), как и нуклоны, состоят из u - и d-кварков, но, в отличие от нуклонов, их спин равен 3/2. Распадаются они главным образом на нуклон и пион. Время жизни Δ-барионов близко к 10−23 с.

-Λ-барионы (Λ0) — нейтральные (но не истинно нейтральные) частицы со спином 1/2 и странностью −1 (то есть их можно называть Λ-гиперонами), состоящие из u-, d - и s-кварка. В них u - и d-кварки находятся в синглетном по изоспину состоянии (I=0). Масса 1117 МэВ. Распадаются преимущественно на протон и отрицательный пион или на нейтрон и нейтральный пион с временем жизни 2,6×10−10 с. Открыты также тяжёлые Λ-барионы (Λ+c и Λ0b), в которых странный кварк заменён очарованным (c-кварком) или красивым (b-кварком).

-Σ-барионы (Σ+, Σ0, Σ−) имеют спин 1/2, странность −1. Как и Λ-барион, состоят из u-, d - и s-кварка, но триплетны по изоспину (I=1). Нейтральный Σ0-барион имеет тот же кварковый состав, что и Λ0-барион (uds), но тяжелее. В связи с этим он очень быстро распадается в Λ0 с вылетом фотона. Время жизни составляет лишь 6×10−20 с, поскольку распад происходит за счёт электромагнитного взаимодействия). Σ+ (uus) и Σ− (dds) распадаются за примерно 10−10 с на пион и нуклон. Следует отметить, что Σ+ и Σ− не являются частицей и античастицей — это самостоятельные частицы, каждая из них (как, кстати, и Σ0) имеет свою античастицу. Массы Σ-гиперонов составляют около 1200 МэВ. Обнаружены также тяжёлые Σ-барионы, не являющиеся гиперонами (то есть содержащие вместо s-кварка более тяжёлый кварк).

-Ξ-барионы (Ξ0 и Ξ−) имеют спин 1/2, странность −2. Они содержат по два странных кварка; кварковый состав uss (Ξ0) и dss (Ξ−). Их масса близка к 1,3 ГэВ. Распадаются (с временем жизни около 10−10 с) на пион и Λ0-гиперон. Существуют тяжёлые Ξ-барионы, не являющиеся гиперонами (один из странных кварков заменен c - или b-кварком).

-Ω-барионы (существует лишь один тип этих частиц, Ω−гиперон) имеют спин 3/2 и странность −3, состоят из 3 странных кварков (sss). Масса частицы 1,672 ГэВ. Преимущественные моды распада — на Λ0-гиперон и отрицательный каон или на Ξ0 и отрицательный пион (время жизни около 10−10 с). Открыты некоторые тяжёлые Ω-барионы, отличающиеся заменой одного из s-кварков на тяжёлый кварк.

Рисунок 4.2 - Декуплет барионов со спином 3/2

Рисунок 4.3 - Октет барионов со спином 1/2

Существует также широкий спектр короткоживущих возбуждённых состояний этих барионов. Большинство лёгких барионов в основном состоянии распадаются за счёт слабого взаимодействия, поэтому их время жизни относительно велико (исключение составляет, как было отмечено выше, Σ0-гиперон). Лёгкие барионы (гипероны, Δ-барионы и нуклоны) в зависимости от спина входят в состав одного из двух мультиплетов: декуплета со спином 3/2 (Δ-барионы, Ω-гипероны и возбуждённые состояния Σ- и Ξ-гиперонов) и октета со спином 1/2 (нуклоны, Σ-, Λ- и Ξ-гипероны).

Барионы подчиняются эмпирически установленному закону сохранения барионного числа: в замкнутой системе величина, равная разности количества барионов и количества антибарионов, сохраняется. Эта величина называется барионным числом. Причины сохранения барионного числа пока неизвестны (во всяком случае, с ним не связано какое-либо калибровочное поле, как с электрическим зарядом), однако во многих вариантах современных (пока не подтверждённых) теорий, расширяющих Стандартную Модель, этот закон может нарушаться. Если барионное число не сохраняется, то протон (самый лёгкий из барионов) может распадаться; однако пока распад протона не обнаружен — установлено только нижнее ограничение на время жизни протона (от 1029 до 1033 лет, в зависимости от канала распада). Предсказываются и другие процессы, не сохраняющие барионное число, например, нейтрон - антинейтронные осцилляции.

5 Чёрные Дыры

Чёрная дыра́— область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её радиус (если она сферически симметрична) — гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда:

Рисунок 5.1 – Компьютерное изображение черной дыры

Существование чёрных дыр следует из точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1916 году. Сам термин был придуман Джоном Арчибальдом Уилером в конце 1967 года и впервые употреблён в публичной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное (Our Universe: the Known and Unknown)» 29 декабря 1967 года.. Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары» (от англ. collapsed stars), а также «застывшие звёзды» (англ. frozen stars).

Рисунок5.2 - Гравитационный коллапс

Гравитационный коллапс — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звёзд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звёздах ядерного расщепляющегося материала они теряют свою механическую устойчивость и начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Если растущее внутреннее давление останавливает гравитационный коллапс, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой, что может сопровождаться сбросом оболочки и наблюдаться как вспышка сверхновой звезды. Однако если радиус звезды уменьшился до значения гравитационного радиуса, то никакие силы не могут воспрепятствовать её дальнейшему сжатию и превращению в чёрную дыру.

5.1 Основные свойства

Две важнейшие черты, присущие чёрным дырам в модели Шварцшильда — это наличие горизонта событий (он по определению есть у любой чёрной дыры) и сингулярности, которая отделена этим горизонтом от остальной вселенной. Решением Шварцшильда описывается изолированная невращающаяся, незаряженная и не испаряющаяся чёрная дыра (это сферически симметричное решение уравнений гравитационного поля (уравнений Эйнштейна) в вакууме). Её горизонт событий — это сфера, радиус которой называется гравитационным радиусом или радиусом Шварцшильда. Чёрная дыра с массой, равной массе Земли, обладала бы радиусом Шварцшильда в 9 миллиметров (то есть Земля могла бы стать чёрной дырой, если бы кто-либо смог сжать её до такого размера). Для Солнца радиус Шварцшильда составляет примерно 3 километра. Объекты, размер которых наиболее близок к своему радиусу Шварцшильда, но которые ещё не являются чёрными дырами, — это нейтронные звёзды. Можно ввести понятие «средней плотности» чёрной дыры, поделив её массу на объём, заключённый под горизонтом событий:

Средняя плотность падает с ростом массы чёрной дыры. Так, если чёрная дыра с массой порядка солнечной обладает плотностью, превышающей ядерную плотность, то сверхмассивная чёрная дыра с массой в 109 солнечных масс (существование таких чёрных дыр подозревается в квазарах) обладает средней плотностью порядка 20 кг/м³, что существенно меньше плотности воды! Таким образом, чёрную дыру можно получить не только сжатием имеющегося объёма вещества, но и экстенсивным путём, накоплением огромного количества материала. По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

Рисунок 5.3 - Иллюстрация художника: аккреционный диск горячей плазмы, вращающийся вокруг чёрной дыры

Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды (более чем 3,6 масс Солнца) на конечном этапе её эволюции. Коллапс центральной части галактики или пра-галактического газа. Современные представления помещают огромную () чёрную дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик. Например, в центре нашей Галактики находится чёрная дыра Стрелец A* массой. Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными. Возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях высоких энергий — квантовые чёрные дыры.

5.2 Падение в чёрную дыру

Представим себе, как должно выглядеть падение в шварцшильдовскую чёрную дыру. Тело, свободно падающее под действием сил тяжести, находится в состоянии невесомости. Падающее тело будет испытывать действие приливных сил, растягивающих тело в радиальном направлении и сжимающих — в тангенциальном. Величина этих сил растёт и стремится к бесконечности при. В некоторый момент собственного времени тело пересечёт горизонт событий. С точки зрения наблюдателя, падающего вместе с телом, этот момент ничем не выделен, однако возврата теперь нет. Тело оказывается в горловине (её радиус в точке, где находится тело и есть ), сжимающейся столь быстро, что улететь из неё до момента окончательного схлопывания (это и есть сингулярность) уже нельзя, даже двигаясь со скоростью света. Рассмотрим теперь процесс падения тела в чёрную дыру с точки зрения удалённого наблюдателя. Пусть, например, тело будет светящимся и, кроме того, будет посылать сигналы назад с определённой частотой. Вначале удалённый наблюдатель будет видеть, что тело, находясь в процессе свободного падения, постепенно разгоняется под действием сил тяжести по направлению к центру. Цвет тела не изменяется, частота детектируемых сигналов практически постоянна. Однако, когда тело начнёт приближаться к горизонту событий, фотоны, идущие от тела, будут испытывать всё большее и большее гравитационное красное смещение. Кроме того, из-за гравитационного поля как свет, так и все физические процессы с точки зрения удалённого наблюдателя будут идти всё медленнее и медленнее. Будет казаться, что тело — в чрезвычайно сплющенном виде — будет замедляться, приближаясь к горизонту событий и, в конце концов, практически остановится.

Рисунок 5.4 – Рождение Сверхновой

Частота сигнала будет резко падать. Длина волны испускаемого телом света будет стремительно расти, так что свет быстро превратится в радиоволны и далее в низкочастотные электромагнитные колебания, зафиксировать которые уже будет невозможно. Пересечения телом горизонта событий наблюдатель не увидит никогда и в этом смысле падение в чёрную дыру будет длиться бесконечно долго. Есть, однако, момент, начиная с которого повлиять на падающее тело удалённый наблюдатель уже не сможет. Луч света, посланный вслед этому телу, его либо вообще никогда не догонит, либо догонит уже за горизонтом. Аналогично будет выглядеть для удалённого наблюдателя и процесс гравитационного коллапса. Вначале вещество ринется к центру, но вблизи горизонта событий оно станет резко замедляться, его излучение уйдёт в радиодиапазон, и, в результате, удалённый наблюдатель увидит, что звезда погасла. Чёрная дыра может разрастись за счёт поглощения вещества — как правило, это газ соседней звезды в двойных звёздных системах (столкновение чёрной дыры с любым другим астрономическим объектом очень маловероятно из-за её малого диаметра). Процесс падения газа на любой компактный астрофизический объект, в том числе и на чёрную дыру, называется аккрецией. При этом из-за вращения газа формируется аккреционный диск, в котором вещество разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается и в результате сильно излучает, в том числе и в рентгеновском диапазоне, что даёт принципиальную возможность обнаруживать такие аккреционные диски (и, следовательно, чёрные дыры) при помощи рентгеновских телескопов. Основной проблемой является малая величина и трудность регистрации отличий аккреционных дисков нейтронных звёзд и чёрных дыр, что приводит к неуверенности в идентификации астрономических объектов с чёрными дырами.

5.3 Сверхмассивные чёрные дыры

Разросшиеся очень массивные чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики. В настоящее время существование чёрных дыр звёздных и галактических масштабов считается большинством учёных надёжно доказанным астрономическими наблюдениями.

5.4 Первичные чёрные дыры

Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе — их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр (см. выше).

5.5 Квантовые чёрные дыры

Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Таким образом, все «элементарные объекты» можно разделить на элементарные частицы (их длина волны больше их гравитационного радиуса) и чёрные дыры (длина волны меньше гравитационного радиуса). Планковская чёрная дыра является пограничным объектом, для неё можно встретить название максимон, указывающее на то, что это самая тяжёлая из возможных элементарных частиц. Другой иногда употребляемый для её обозначения термин — планкеон. По-видимому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

Рисунок5.4 – Изображение квантовой черной дыры.

6 Интересные объекты Вселенной

Вселенная очень многообразна и малоизученна. Человечество только начинает изучать её объекты, пытаться найти те секретные нити правды, что до сих пор были скрыты в бесконечной бездне космоса. Но все же цивилизация находит новые пути изучения космоса.

6.1 Растворяющаяся планета

Учеными была замечена "растворяющаяся" планета, вращающаяся вокруг звезды подобной Солнцу в созвездии Пегаса на расстоянии 150 световых лет от нас. Согласно докладу, опубликованному вчера в журнале Nature, большое количество раскаленного газа просто исчезает, оставляя за собой плотное ядро планеты. Понять химический состав планеты удастся только с помощью довольно интересной методики - как только эта планета встает на пути между звездой и Землей, ученые изучают свет от далекой звезды, прошедший через атмосферу этой планеты.

Рисунок 6.1 - Растворяющаяся планета

-Маджар из Института Астрофизики в Париже исследовал спектроскопические данные, собранные Хабблом в течении трех периодов обращения планеты, и обнаружил резкое падение количества кислорода в ее атмосфере. Ученые утверждают, что "атмосфера нагрета, потому водород выходит из гравитационного поля планеты и "выкидывается" солнечным светом. Именно из-за этого у планеты наблюдается "хвост" аналогично кометам". Исследователи подсчитали, что длина хвоста составляет 199560 километров, что почти в 5 раз больше окружности Земли. При этом, планета теряет водород с огромной скоростью - 10 миллионов килограмм в секунду. Предполагается, что водород будет испаряться до тех пор, пока не погаснет сама звезда. Такие вот тяжелые участи порой настигают планеты.. Хорошо, что у нашей Земли в ближайшее время такого не предвидится.

6.2 Радиогалактика

Термин «Радиогалактики» был введен в результате отождествления в 1949г. мощных источников космического радиоизлучения с относительно слабыми источниками оптического излучения— далекими галактиками. Таким образом, галактики, отождествленные с сильными радиоисточниками, и стали называть радиогалактиками. С другой стороны, многие квазары, являющиеся радиоисточниками, также представляют собой звездные системы и могут называться радиогалактиками. Радиогалактики и квазары очень похожи по многим параметрам. Например, по радиоизображениям практически невозможно сказать, к какому из этих двух классов объектов принадлежит источник. Кроме того, существуют объединяющие модели, объясняющие разницу свойств объектов их ориентацией по отношению к лучу зрения.

Рисунок 6.2 - Радиогалактика

Эта галактика - наиболее интересный объект для попыток увидеть активные галактики. Она исследуется посредством наблюдений во всех спектральных областях, от радио, инфракрасного и оптического излучения до рентгеновского и гамма излучения. Центавр - один из примеров радио активного галактического ядра (AGN). На изображениях мы видим что плотные облака пыли почти полностью закрывают центр галактики. Расстояние до нее приблизительно 12 млн. световых лет. До 1949, эта галактика была просто нетипичным объектом для Млечного пути, но позже он была идентифицирована как радиогалактика. Имеется убедительные свидетельства, что Центавр является столкновением эллиптической и спиральной галактик, так как спиральная галактика не имела бы достаточно пыли и газа, чтобы формировать молодые голубые звезды, замеченные по граням облака пыли. Ядро Центавра - самый маленький известный внегалактический радиоисточник, в поперечнике около 10 световых дней. Джет высоких частиц энергии от этого центра наблюдается в радио и рентгеновском спектре. Ядро, вероятно, содержит супермассивную черную дыру с массой приблизительно 100 миллионов солнечных масс.

6.3 Туманности

Туманности – это одни из наиболее красивых и мистических объектов вселенной. Основной составляющей туманностей является газ. Именно поэтому в зависимости от структуры и цвета газа мы наблюдает те феерические, потрясающие объекты в космическом пространстве.

Рисунок 6.3 - Взрыв сверхновой

Рисунок 6.4 - Туманность «Яйцеклетка»

Рисунок 6.5 - Туманность «Улитка»

Рисунок 6.6 - Волокнистая Туманность

Рисунок 6.7 - Крабовидная туманность

Рисунок 6.8 - Туманность киля

Рисунок 6.9 - Трехраздельная Туманность

Рисунок 6.10 - Молекулярное облако

Рисунок 6.11 - Туманность «Карина Небула»

7 Общая теория относительности

Общая теория относительности (ОТО; англ. general theory of relativity)— геометрическая теория тяготения, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием.[1]

Рисунок 7.1 - Альберт Эйнштейн, автор общей теории относительности (1921 год)

ОТО в настоящее время— самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что подтвердило предсказания общей теории относительности. Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории из-за появления неустранимых математических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этой проблемы был предложен ряд альтернативных теорий. Современные экспериментальные данные указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.

7.1 Основные принципы общей теории относительности

Теория гравитации Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с полевой парадигмой современной физики и, в частности, со специальной теорией относительности, созданной в 1905 году Эйнштейном, вдохновлённым работами Пуанкаре и Лоренца. В теории Эйнштейна никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в вакууме. В классической механике Ньютона существует два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе — к закону всемирного тяготения. Первая масса — инертная (или инерционная) — есть отношение негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса — гравитационная (или, как её иногда называют, тяжёлая) — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Вообще говоря, эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть пропорциональными друг другу. Их строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела, как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными друг другу.

7.2 Кривизна пространства-времени

Если запустить из двух близких точек два тела параллельно друг другу, то в гравитационном поле они постепенно начнут либо сближаться, либо удаляться друг от друга. Этот эффект называется девиацией геодезических линий. Аналогичный эффект можно наблюдать непосредственно, если запустить два шарика параллельно друг другу по резиновой мембране, на которую в центр положен массивный предмет. Шарики разойдутся: тот, который был ближе к предмету, продавливающему мембрану, будет стремиться к центру сильнее, чем более удалённый шарик. Это расхождение (девиация) обусловлено кривизной мембраны.

Рисунок 7.2 - Девиация геодезических линий

Аналогично, в пространстве-времени девиация геодезических линий (расхождение траекторий тел) связана с его кривизной. Кривизна пространства-времени однозначно определяется его метрикой — метрическим тензором. Различие между общей теорией относительности и альтернативными теориями гравитации определяется в большинстве случаев именно в способе связи между материей (телами и полями негравитационной природы, создающими гравитационное поле) и метрическими свойствами пространства-времени.

7.3 Предсказания общей теории относительности. Гравитационные эффекты.

Первый из этих эффектов — гравитационное замедление времени, из-за которого любые часы будут идти тем медленнее, чем глубже в гравитационной яме. Непосредственно связанный с этим эффект — гравитационное красное смещение света. Гравитационное замедление времени влечёт за собой ещё один эффект, названный эффектом Шапиро (также известный как гравитационная задержка сигнала). Из-за этого эффекта в поле тяготения электромагнитные сигналы идут дольше, чем в отсутствие этого поля. Данное явление было обнаружено при радиолокации планет солнечной системы и космических кораблей, проходящих позади Солнца, а также при наблюдении сигналов от двойных пульсаров.

Искривление пути света происходит в любой ускоренной системе отсчёта. С 1919 года данное явление было подтверждено астрономическими наблюдениями звёзд в процессе затмений Солнца, а также радиоинтерферометрическими наблюдениями квазаров искривление траектории света более близкой массой приводит к искажению формы удалённого объекта, которое при малом разрешении наблюдения приводит, в основном, к увеличению совокупной яркости удалённого объекта, поэтому данное явление было названо линзированием.

Рисунок 7.2 - Самая известная ранняя проверка ОТО стала возможна благодаря полному солнечному затмению 1919 года. Артур Эддингтон показал, что свет от звезды искривлялся вблизи Солнца в точном соответствии с предсказаниями ОТО

Первый эффект ОТО заключался в том, что перигелии (точки орбиты небесного тела — ближайшая к центральному телу и наиболее удалённая от центрального тела, вокруг которого совершается движение) всех планетных орбит будут прецессировать(поворачиваться), поскольку гравитационный потенциал Ньютона будет иметь малую добавку, приводящую к формированию незамкнутых орбит.

Другой эффект ОТО— изменение орбиты, связанное с гравитационным излучением двойной и более кратной системы тел. Этот эффект наблюдается в системах с близко расположенными звёздами и заключается в уменьшении периода обращения.

Ещё один эффект— геодезическая прецессия. Она представляет собой прецессию полюсов вращающегося объекта в силу эффектов параллельного перенесения в криволинейном пространстве-времени. Данный эффект отсутствует в ньютоновской теории тяготения. Увлечение инерциальных систем отсчёта вращающимся телом заключается в том, что вращающийся массивный объект «тянет» пространство-время в направлении своего вращения. Удалённый наблюдатель в покое относительно центра масс вращающегося тела обнаружит, что самыми быстрыми часами являются часы, имеющие компоненту движения вокруг вращающегося объекта в направлении вращения, а не те, которые находятся в покое относительно наблюдателя, как это происходит для невращающегося массивного объекта. Точно так же удалённым наблюдателем будет установлено, что свет двигается быстрее в направлении вращения объекта, чем против его вращения.[1]

На сегодняшний день построено много теорий, альтернативных ОТО (теория струн, теория маджетик, теория бран, модель квантования в 2-мерном пространстве и другие), которые позволяют квантовать гравитацию, но все они либо не закончены, либо имеют внутри себя неразрешённые парадоксы. Также подавляющее большинство из них обладает огромным недостатком, который вообще не даёт возможности говорить о них, как о «физических теориях»— они не могут быть проверены экспериментально.

Заключение

Мир изменчив и непостоянен. Нам кажется, будто время идет своим чередом, но это далеко не так. Все: звезды, планеты, горячие и холодные газы,- все с чудовищной скоростью движется в неизвестность. Нам мы это не замечаем, но даже время порой искажается под действием гравитационных сил Вселенной. Ибо как малы наши знания об окружающем нас мире!

Современная наука о космосе в настоящее время бурно развивается и открывает все новые и новые горизонты для будущих открытий. В ближайшем будущем нас ожидает научные открытия о Марсе, разгадка загадочной Темной Энергии, Темной Материи. А также запуск Большого Адронного Коллайдера…

Список первоисточников

1)  http://ru. wikipedia. org

2)  http://www. nasa. gov/

3)  http://www. *****/

4)  Телеканал National Geographic’s

5)  http://www. *****/