Дарья Третьякова, 11 кл. лицея 11, Челябинск. *****@***ru
«Смотрите не под ноги, а смотрите на Звёзды!»
[ Хокинг отметил своё семидесятилетие]
Гравитационное поле Чёрной Дыры.
Введение
С гравитаций мы сталкиваемся с первых дней существования. Мы принимаем это как должное и не задумываемся о природе этого явления. Кеплером в начале 17 века эмпирические законы движения планет позволило в 1687 г. И. Ньютону записать статическое уравнение силового взаимодействия гравитационных масс - 4-й закон Ньютон. Но до настоящего времени физическая природа гравитационного поля ещё находится в стадии изучения. Интересные наблюдаемые процессы, связанные с гравитацией, развиваются в космическом пространстве. Значительную часть объектов Вселенной мы не видим, но догадываемся об их существовании по движению ближайших видимых соседей (и не только ближайших). Это Чёрные Дыры - ЧД. Строение ЧД представлено на рис. 1. Происходит гравитационный коллапс – при выгорании ядерного топлива неограниченное сжатие космического тела с массой 1,5 – 3 раза превышающей массу Солнца. Непосредственное исследование физических свойств ЧД затруднено - из-за их громадного гравитационного поля, - вторая космическая скорость превышает скорость света, и ЧД свет не излучает. Но гравитационное поле беспрепятственно распространяется за пределы ЧД.
 |
В работе показано, что ввиду притяжения ближайших космически объектов и их поглощении, температура воображаемой поверхности ЧД (оптический горизонт событий) должна быть ниже равновесной, определяемой реликтовым излучением (ТР = 2,7 К). Чем больше масса ЧД, тем меньше её температура. Высказывается также предположение, что для сверхтяжёлых ЧД может существовать гравитационный горизонт событий.
Открытие ЧД
Лаплас, исследуя движения света в гравитационном поле, в 1795 году предсказал существование ЧД, вокруг которой гравитационное поле такой величины, что даже свет выйти не в состоянии. Невидимая звезда должна иметь массу примерно в 3 раза превышающую массу солнца МС и размер при этом 3 км [1]. А если Землю сжать до диаметра в 1 см, то она тоже обратиться в ЧД. В расчете напряжённость гравитационного поля определяется из закона гравитации: g=GM/R2 , а инерционное ускорение по формуле нормального ускорения для вращательного движения: an=v2/R. Ещё за 13 лет до этого Митчелл показал, что опосредственное измерение некоторых внешних физических параметров ЧД всё же возможно, благодаря влиянию собственным гравитационным полем на движение соседней с ЧД видимой звездой (конечно, влияет и на другие и далеко не близкие космические объекты). Заметим, что гравитационное поле является физически единственным информационным каналом, благодаря которому два столетия и вёлся поиск ЧД.
Не смотря на определённость названных параметров, открытие ЧД произошло не так давно. В 1971 г. с американского спутника «Ухуру» с помощью рентгеновских телескопов проводилось исследование звезды переменной светимости в созвездии Лебедя. Был обнаружен мощный рентгеновский источник. Дальнейшие исследование дали неожиданный результат. Видимая звезда с массой 10МС в этой области космического пространства как бы вращается, вокруг своего невидимого соседа, масса которого 25МС. При этом изменяется светимость видимой звезды относительно наблюдателя. Мощное рентгеновское излучение связано с эффектом аккреции на ЧД. Гравитационное поле «стягивает» фотосферу с ближайшего соседа. При разгоне частиц до громадных скоростей и возникает рентгеновское излучение.
По принятой классификации невидимой звезде присвоен номер Х-1. Здесь X говорит о том, что всё же было сомнения, что именно открыта ЧД [2]. Заметим, что в настоящее время каталог для ЧД имеет более 50 наименований - это подтверждает реальность их существования. В центре нашей Галактики (в системе Млечного пути) на расстояние 25 тыс. световых лет тоже находится сверх гигантская ЧД. Гравитационное поле таких гигантов, согласно законам Кеплера, влияет на движение даже периферийных звёзд Галактик (сигма фактор).
Скорость света
То, что скорость света большая, но конечна величина, уже было установлено в 1676 г. датским астрономом , благодаря наблюдениям за фазами вращения спутников Юпитера при разном удалении Юпитера от Земли. И это ещё за 9 лет до публикации Ньютоновских «Математических начал натурфилософии»! Настоящей же теории распространения света не существовало до 1865 г., когда английский физик сумел объединить две частных теории и электрических, и магнитных сил. Согласно теории Максвелла, в объединенном электромагнитном поле могут существовать волнообразные возмущения, скорость распространения которых равняется скорости света. По современным представлениям - это 299792458 м/с. И, наконец, в 1887 г. А. Майкельсон и Э. Морли получили достаточно точное значение скорости света и к великому удивлению обнаружили, что она не зависит от её направления относительно вектора скорости системы, в которой проводится измерение. Пришлось отказаться от понятия о мировом эфире как среде, в которой распространяется свет. Ещё до опубликования в 1905 г. А. Эйнштейном специальной теории относительности, в 1892 г. X. Лоренц объяснил абсолютность скорости света относительным сокращением длины по направлению движения. Об искривлении пространства здесь ещё речь не идёт, но развязка уже приближается. Фундаментальный постулат теории относительности, состоит в том, что законы науки должны быть одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от скорости их движения. Этот постулат был справедлив для законов Ньютона, но теперь он был распространён и на теорию Максвелла. Скорость света, измеренная любыми наблюдателями, должна быть одинакова независимо от того, с какой скоростью движутся сами наблюдатели. Из этого простого принципа вытекает ряд замечательных следствий. Самые основные из них - это, во-первых, эквивалентность массы т и энергии Е: Е=тс2. Во-вторых, закон, согласно которому ничто материальное не может двигаться быстрее света. В силу эквивалентности массы и энергии, которой обладает движущийся объект, энергия должна добавляться к массе. Правда, этот эффект проявляет себя только при очень больших скоростях, сравнимых со скоростью света. (при релятивистских скоростях). Если, например, скорость объекта всего лишь на 10% меньше с, то его масса лишь на 0,5% больше массы покоя. При скорости, равной 0.9 с, масса уже в 2 раза превышает массу покоя то. По мере приближения к скорости света, масса растёт всё быстрее, так что для ускорения требуется всё большая энергия.
Универсальный характер гравитационного поля
Гравитационные силы, как известно, носят универсальный характер. Это означает, что всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы - частицы. Гравитационные силы - только силы притяжения, они самые слабые из всех известных сил взаимодействий. Между двумя электронами, например, действует электрическая сила отталкивания, которая по величине на 42 порядка больше гравитационного притяжения! В больших телах, например, в Земле и Солнце, содержание положительных и отрицательных элементарных зарядов почти одинаково и. следовательно, силы притяжения и отталкивания компенсируют друг друга. В малых же масштабах в атомах и молекулах, например, доминируют электрические силы. Очень слабые гравитационные силы взаимодействия отдельных частиц в телах космического масштаба в сумме дают громадные силы взаимного притяжения. В квантовом механике считается, что носителями сил тяготения являются гравитоны - виртуальные частицы со спином 2 и не обладающие собственной массой (?). Отсутствие массы предполагает наличие свойства дальнодействия, — мгновенного участия в обменном взаимодействии. Несмотря на то, что в силовом взаимодействии участвуют лишь виртуальные частицы, но создаваемые ими эффекты, безусловно, наблюдаются или же поддаются измерениям. Со времён Ньютона ни у одного здравомыслящего человека не возникает сомнений по поводу действия сил гравитации, которые всё же приводят к вращению Земли вокруг Солнца! Отметим совершенно необъяснимый факт, который пока широко не обсуждается специалистами. Самые громадные (из сверх гигантских) ЧД никак себя не обнаруживают! Возможно это эффект насыщения [3], а может быть существует гравитационный горизонт событий? Если да, то можно определение и скорость распространения гравитационного поля!
В теории тяготения Ньютона одно тело притягивается к другому с силой F, которая зависит от масс m1 и m2 двух тел и расстояния R между ними: F=Gm1m2/R, где G — гравитационная постоянная. Закон тяготения - статический, т. е. силовое действие от времени не зависит. Или же сила F никак не зависит от того, насколько долго тела были рядом друг с другом. А это означает, что если их массы или расстояния между ними изменится, то тела немедленно почувствуют изменение взаимного гравитационного притяжения. Мысленно представим космическую катастрофу [3]. Если Солнце мгновенно исчезает, то Земля, расположенная на расстоянии 150 млн. км от него, согласно принципу дальнодействия, мгновенно сойдёт со своей обычной эллиптической орбиты. Но вспышка света от взрыва дойдёт от Солнца до Земли только за 8 мин. Замечание. В этом мысленном эксперименте, всё же не учитывается то. что осколки Солнца мгновенно не разлетятся за пределы орбиты Земли. Пока центр масс разлетающихся осколков находится в центре орбиты Земли (это следует ожидать, если взрыв произошёл за счёт внутренней энергии), гравитационное поле будет по-прежнему действовать на вращение Земли!
Чёрная Дыра не такая уж и чёрная?
Космическое пространство заполнено реликтовым излучением (ТР = 2,7 К). Если бы температура ЧД превышала ТР , то радиотелескопы обнаружили бы ЧД. Но ЧД и космическое пространство – термодинамическая неравновесная система. Ввиду притяжения ближайших космически объектов и их поглощение, температура воображаемой поверхности ЧД (оптический горизонт событий) должна быть ниже равновесной, определяемой реликтовым излучением. Но температура поверхности ЧД всё же превышает нулевое значение, т. к. существует информационный канал, физическим носителем информации в котором выполняет гравитация. Итак, Чёрная Дыра не такая уж и чёрная. Чем меньше её масса, тем выше температура, но ниже ТР ! Звезда с критической массой (1,5…3 раза превышающей массу Солнца МС ), скорей имеет температуру Тк= 2,7 К. И чем больше масса ЧД, тем меньше её температура. Для сверх гигантских ЧД следует ожидать нулевое значение температуры для горизонта событий или её воображаемой поверхности. Вот такая ЧД никак себя и не обнаруживает!
Литература
1. Краткая история времени. От большого взрыва до чёрных дыр. - С.-П.: Амфора, 2007 г., 232 с.
2. Гинсбург B. J1. О физике и астрофизике. - М.: Наука.1985 г., 400 с.
3. Зои Хирон. Supermassive Black Holes. Сверхмассивные Черные Дыры - убийцы галактик. - Загадки природы: ВВС - коллекционное издание: DVD, 01. 08. 2006 г.
4. Black Hole Pumps Iron, 09.14.09. http:// www. nasa. gov/mission_ pages/chandra/ multimedia/ photo 09-070.html.
