microbik.ru
1

Оглавление.


1.Введение…………………………………………………………………………………………2 стр.

2.Темная материя…………………………………………….…………………………………....2 стр.

3.Темная энергия………………………………..……………………………………………….......еделяется давлением, ΔЕ = —.6 стр.

4.Черные дыры и кротовые норы………………………………………………………..……….9 стр.

5.Заключение……………………………………………………………………………………..12 стр.

6.Список использованной литературы…………………………………………………………13 стр.

7.Приложения………………………………………………………………………………….…14 стр.


1. Введение.

Космос неизменно манит нас своей неизведанностью, загадкой и непостижимостью. Уже много лет одной из главных тайн Вселенной является наличие в ней загадочной “темной материи”, которая обнаруживает свое присутствие только благодаря гравитационному влиянию на видимые объекты. Из анализа многих экспериментальных данных следует: Вселенная скрывает от наших глаз почти всю свою массу, оставляя видимой для приборов наблюдателей лишь около одной сотой доли вещества, участвующего в ее движении. "Согласно последним наблюдениям, в число объектов составляющих скрытую массу входят остывшие белые карлики, нейтронные звезды, межгалактический газ, возможно черные дыры. Однако, по оценкам теоретиков, и этих объектов существенно недостаточно.

Кроме того, остается еще 73% и это новое понятие и новая загадка — „тёмная энергия“. И эта загадка возникла намного раньше, чем появилось её ныне распространённое название. Так что же это такое? Почему ученые такое огромное количество времени ломают головы над их происхождением? И каковы перспективы изучения их в земных условиях?

^ Цель работы: собрать и изучить теоретический материал о различных фактах существования новых форм материи во Вселенной.

Задачи:

  1. Расширить знания о небарионной форме материи и её происхождении;

  2. Собрать материал о темной материи и темной энергии во вселенной;

  3. Собрать аргументы «за и против» о темной материи и темной энергии во Вселенной;

  4. Рассмотреть различия между черными дырами и кротовыми норами;

  5. Систематизировать найденную информацию по теме: «Новые формы материи во Вселенной»;

  6. Сопоставить различные гипотезы о происхождении новых форм материи.

  7. Узнать какие космологические данные свидетельствуют об их существовании

2. Темная материя

Термин «Темная материя» или «Скрытая масса» возник в современной физике из гипотетических соображений. Дело в том, что современные представления о теории гравитации не позволяют объяснить наблюдаемую структуру нашей Галактики и, в частности, распределение скоростей звездных систем. Чтобы согласовать теорию и эксперимент необходимо предположить, что вокруг Галактики существует дополнительная невидимая материя, которая и создает недостающие гравитационные силы. Гипотеза о темной материи впервые возникла в 1931 году. Швейцарец Фриц Цвикки пересчитал все галактики в одном скоплении и по их светимости – чем ярче, тем больше звезд, тем тяжелее – оценил общую массу. Затем по красному смещению спектральных линий Цвикки определил разброс скоростей галактик. И тогда он обнаружил, что скорости слишком велики и найденного по светимости количества материи явно недостаточно. Гравитационное поле, порожденное такой небольшой массой, не удержит галактики в скоплении – улетят и не вернутся. Почему же они не улетают?

Цвикки выдвинул смелую гипотезу: в богатых скоплениях присутствует невидимая, скрытая масса, которая и удерживает галактики. Большинство астрономов скептически восприняли его результаты. А может, скопление галактик – это временная конструкция, говорили они. Может, она распадается, а галактики – разлетаются. Тогда никакой скрытой массы не надо, хватит и той, что светится. Короче, не поверили. Не поверили и молодому датчанину Яну Оорту, который в 1932 году изложил свои исследования динамики звезд нашей Галактики.

И вот на сцену выходит Вера Рубин, которая просто просканировала с помощью спектрометра видимые с ребра галактические диски от центра к краю и построила экспериментальные кривые вращения.

Это был шок! Кто бы мог подумать, что скорости звезд к краю диска не только не уменьшаются, оставаясь постоянными, но даже заметно возрастают...

Это могло означать только одно – галактика окружена гало (оболочкой, короной) из несветящейся материи. Невидимое вещество гало своим гравитационным полем не дает звездам покинуть галактику и тем самым спасает ее от распада. Без этой невидимой массы галактика непременно распадется.

На сегодняшний день кривые вращения – самое убедительное свидетельство в пользу существования темной материи во Вселенной.

^ Что же такое темная материя?

"Тёмной" материей принято называть вещество, оказывающее ощутимое гравитационное воздействие на крупные космические объекты. При этом никакого излучения от этого вещества не регистрируется, оттуда и термин "тёмная".

А раз его не видно, то откуда астрономы вообще взяли его? Дело в том, что вращение звёзд вокруг центров галактики, а также движение самих галактик выглядит так, словно масса этих галактик гораздо больше той, которой обладают видимые — в любом диапазоне — объекты.

Британские исследователи из радиоастрономической обсерватории Джодрелл Бэнк полагают, что наша Вселенная на две трети состоит из тёмной материи (Dark Matter). По другим оценкам обычное вещество составляет не более 10% от реально содержащейся во Вселенной материи, третьи, что около 25%. Это та материя, которую невозможно наблюдать в телескоп, которая не отражает лучи света и не излучает фотоны ни в каком диапазоне электромагнитного спектра. Фактически получается, что существует иной тип массы, некое невидимое вещество, из которого построена Вселенная.

^ Темная материя - это умирающие звезды.

Исследователи изучали несколько снимков нашей галактики, сделанных из Южного полушария, и, к своему удивлению, открыли на небольшом участке 38(!) не известных науке белых карликов.

Этих неуловимых карликов выследили в окружности 450 световых лет в так называемом галактическом гало Млечного Пути - сфере, в которую вписывается имеющая форму диска галактика.

Обнаруженные карлики имеют почти такие же размеры, как наша Земля, и испускают очень слабое свечение. В течение нескольких десятилетий несовершенные приборы не позволяли астрономам "разглядеть" их на звездном небе, поэтому ученые причисляли невидимые звезды к темной материи.

Если плотность белых карликов сравнить со средней плотностью материи в гало, то получается, что в этой области галактики мертвые звезды составляют примерно около 35 процентов темной материи. Поэтому ученые считают, что они узнали по крайней мере часть тайны темной материи - невидимой, загадочной, никакими способами не регистрируемой, о существовании которой имеются только косвенные сведения.

Считается, что темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц.

Помимо космологических данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках. Имеется несколько способов измерения гравитационного поля в скоплениях галактик, один из которых — гравитационное линзирование, проиллюстрированное на рис. 1, приложение 1.

Гравитационное поле скопления искривляет лучи света, испущенные галактикой, находящейся за скоплением, т. е. гравитационное поле действует как линза. При этом иногда появляются несколько образов этой удаленной галактики; на левой половине рис. 1 они имеют голубой цвет. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают. Восстановленное таким образом распределение массы показано на правой половине рис. 1 голубым цветом; видно, что оно сильно отличается от распределения светящегося вещества. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной. Напомним, что это же число получается из сравнения теории образования структур (галактик, скоплений) с наблюдениями.

Из измерений гравитационного поля, теперь уже в галактиках и их окрестностях следует, что темная материя имеется и в галактиках. Чем сильнее гравитационное поле, тем быстрее вращаются вокруг галактики звезды и облака газа, так что измерения скоростей вращения в зависимости от расстояния до центра галактики позволяют восстановить распределение массы в ней. Это проиллюстрировано на рис. 2: по мере удаления от центра галактики скорости обращения не уменьшаются, что говорит о том, что в галактике, в том числе вдалеке от её светящейся части, имеется несветящаяся, темная материя. В нашей Галактике, по утверждению Валерия Анатольевича Рубакова— российского физика-теоретика, одного из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, академик РАН, доктор физико-математических наук, в окрестности Солнца масса темной материи примерно равна массе обычного вещества.

^ Что представляют из себя частицы темной материи? Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон — это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более легкие частицы (например, нейтрино и фотоны).

Далее, частицы темной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Дальше начинается область гипотез. Валерию Анатольевичу наиболее правдоподобной (но далеко не единственной!) представляется гипотеза о том, что частицы темной материи в 100–1000 раз тяжелее протона, и что их взаимодействие с обычным веществом по интенсивности сравнимо с взаимодействием нейтрино. Именно в рамках этой гипотезы современная плотность темной материи находит простое объяснение: частицы темной материи интенсивно рождались и аннигилировали в очень ранней Вселенной при сверхвысоких температурах (порядка 1015 градусов), и часть их дожила до наших дней. При указанных параметрах этих частиц их современное количество во Вселенной получается как раз такое, какое нужно. Согласно популярным сегодня гипотезам исследователей, частицы темной материи — это лишь один представитель нового семейства элементарных частиц, так что наряду с открытием частиц темной материи можно надеяться на обнаружение на ускорителях целого класса новых частиц и новых взаимодействий. Космология подсказывает, что известными сегодня «кирпичиками» мир элементарных частиц далеко не исчерпывается! Можно ли ожидать открытия частиц темной материи в недалеком будущем в земных условиях? Поскольку мы сегодня не знаем природу этих частиц, ответить на этот вопрос вполне однозначно нельзя. Тем не менее, перспектива представляется весьма оптимистической.

Имеется несколько путей поиска частиц темной материи. Один из них связан с экспериментами на будущих ускорителях высокой энергии — коллайдерах. Если частицы темной материи действительно тяжелее протона в 100–1000 раз, считает Рубаков, то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высоких энергий (энергий, достигнутых на существующих коллайдерах, для этого не хватает). Ближайшие перспективы здесь связаны с Большим адронным коллайдером (LHC) международного центра ЦЕРН под Женевой, на котором будут получены встречные пучки протонов с энергией 7x7 Тераэлект. Другой путь состоит в регистрации частиц темной материи, которые летают вокруг нас. Их отнюдь не мало: при массе, равной 1000 масс протона, этих частиц здесь и сейчас должно быть 1000 штук в кубическом метре. Проблема в том, что они крайне слабо взаимодействуют с обычными частицами, вещество для них прозрачно. Тем не менее, частицы темной материи изредка сталкиваются с атомными ядрами, и эти столкновения можно надеяться зарегистрировать.

Нейтрино, приходящее, например, из центра Солнца, может с малой вероятностью испытать взаимодействие в воде, в результате чего образуется заряженная частица (мюон), свет от которой и регистрируется. Поскольку взаимодействие нейтрино с веществом очень слабое, вероятность такого события мала, и требуются детекторы очень большого объема. Сейчас на Южном полюсе началось сооружение детектора объемом 1 кубический километр.

Имеются и другие подходы к поиску частиц темной материи, например, как утверждает Рябов В. А. доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Отделения ядерной физики и астрофизики Физического института им. П.Н.Лебедева, поиск продуктов их аннигиляции в центральной области нашей Галактики. Какой из всех этих путей первым приведет к успеху, покажет время, но в любом случае открытие этих новых частиц и изучение их свойств станет важнейшим научным достижением.

В последнее время не утихает конфликт между сторонниками классической космологии, и ее убежденными противниками. Последние подчеркивают, что гипотеза существования "темной материи" является лишь одной из попыток свести концы с концами теории, сталкивающейся с растущим числом в корне противоречащих ей фактов. «Стандартная модель уродлива и запутана, - заявил один из известных "альтернативных космологов" доктор Жоайо Магуэйо. – Надеюсь, ее финал не за горами».


^ 3. Темная энергия

Об открытии тёмной энергии в космологии теперь уже много написано. В 1998–1999 гг. были опубликованы первые данные наблюдений, указывающих на то, что космологическое расширение происходит ускоренно, то есть что скорости взаимного удаления галактик возрастают со временем. Раньше считали, что разбегание галактик может только замедляться под действием всемирного тяготения. Однако ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создаётся не галактиками (с их обычными светящимся барионным веществом и тёмной материей), а некоей космической средой, в которую погружены все галактики мира. Эта гипотетическая среда — тёмная энергия. Физическая природа тёмной энергии остаётся пока что неизвестной. По этому поводу, однако, высказано немало интересных гипотез, простейшая из которых, по мнению И. Д. Караченцева1 и А.Д.Чернина2, (и, похоже, самая вероятная) связывает тёмную энергию с космологической константой.

Темная энергия — гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Первое слово в термине «темная энергия» указывает на то, что эта форма материи не испускает и не поглощает никакого электромагнитного излучения, в частности света. С обычным веществом она взаимодействует только через гравитацию. Слово же «энергия» противопоставляет эту среду структурированной, то есть состоящей из частиц, материи, подчеркивая, что она не участвует в процессе гравитационного скучивания, ведущего к образованию галактик и их скоплений. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Мы уже говорили, что современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.

1 Игорь Дмитриевич Караченцев — доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией внегалактической астрономии в Специальной астрофизической обсерватории РАН. Область исследований — наблюдательная космология, внегалактическая астрономия.

2Артур Давидович Чернин — доктор физико-математических наук, профессор Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга, МГУ.

^ Отрицательное давление и гравитационное отталкивание.

Описывая темную энергию, космологи считают, что ее главное свойство — отрицательное давление. Оно приводит к появлению отталкивающих гравитационных сил. В этом утверждении содержатся сразу два парадокса. Разберем их последовательно.

Как давление может быть отрицательным? Давление обычного вещества, как известно, связано с движением молекул. Ударяясь о стенку сосуда, молекулы газа передают ей свой импульс, отталкивают ее, давят на нее. Свободные частицы не могут создать отрицательное давление, не могут «тянуть одеяло на себя», но в твердом теле подобное вполне возможно. Неплохой аналогией отрицательного давления темной энергии служит оболочка воздушного шарика. Каждый ее квадратный сантиметр растянут и стремится сжаться. Появись где-нибудь в оболочке разрыв, она немедленно стянулась бы в маленькую резиновую тряпочку. Но пока разрыва нет, отрицательное натяжение равномерно распределено по всей поверхности. Причем если шарик надувать, резина будет становиться тоньше, а запасенная в ее натяжении энергия будет расти. Сходным образом ведет себя при расширении Вселенной плотность вещества и темной энергии.

Область научных интересов — космология, физика галактик. мере, замедлять свое расширение, Почему отрицательное давление ускоряет расширение? Казалось бы, под действием отрицательного давления темной энергии Вселенная должна сжиматься или уж, по крайней мере начавшееся в момент Большого взрыва.

Но все обстоит как раз наоборот, потому что отрицательное давление темной энергии слишком... велико.

Дело в том, что согласно общей теории относительности гравитация зависит не только от массы (точнее плотности энергии), но также и от давления. Чем больше давление, тем сильнее гравитация. А чем больше отрицательное давление, тем она слабее! Правда, давления, достижимые в лабораториях и даже в центре Земли и Солнца, слишком малы, чтобы их влияние на гравитацию можно было заметить. Но вот отрицательное давление темной энергии, наоборот, столь велико, что пересиливает притяжение и её собственной массы, и массы всего остального вещества. Получается, что массивная субстанция с очень сильным отрицательным давлением парадоксальным образом не сжимается, а наоборот, распухает под действием собственной гравитации. Представьте себе тоталитарное государство, которое, стремясь обеспечить свою безопасность, зажимает свободу до такой степени, что граждане массово бегут из страны, бунтуют и в конце концов разрушают само государство. Почему чрезмерные усилия по укреплению государства оборачиваются его разрушением? Таковы свойства людей — они сопротивляются подавлению. Почему сильнейшее отрицательное давление вместо сжатия приводит к расширению? Таковы свойства гравитации, выраженные уравнением Эйнштейна. Конечно, аналогия — это не объяснение, но она помогает «уложить в голове» парадоксы темной энергии.

Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии — это главная загадка фундаментальной физики XXI века. Один из кандидатов на роль темной энергии — вакуум. С открытием вакуума (если тёмная энергия — это действительно энергия вакуума Эйнштейна-Глинера) Вселенная в целом предстала перед нами более однородной, чем об этом можно было судить ранее только по распределению галактик в ней. Действительно, в наблюдаемом мире доминирует вакуум с его идеально однородной плотностью. По величине эта плотность составляет (в круглых цифрах) 75% полной плотности Вселенной. Таковы данные, известные с 1998–1999 гг. и подтверждённые позднее, в 2003-м и 2006 гг., независимыми наблюдениями, выполненными на американском космическом аппарате WMAP. Это означает, что „обычное“ вещество, из которого состоят галактики (включая и так называемую тёмную материю, которую не следует путать с тёмной энергией) заметно уступает вакууму по своей средней (мысленно распределённой по всему пространству) плотности. Соответственно, вакуум вносит подавляющий вклад в полную массу и энергию Вселенной.

Другой кандидат — новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.

Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такая гипотеза далеко не безобидна: попытки обобщения общей теории относительности в этом направлении сталкиваются с серьезными трудностями.

По-видимому, если такое обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Нам предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами.

Изменение энергии при изменении объема определяется давлением, ΔЕ = -pΔV. При расширении Вселенной энергия вакуума растет вместе с объемом (плотность энергии постоянна), что возможно, только если давление вакуума отрицательно.

Темная энергия — важнейшее свидетельство существования явлений, которые не описываются современной физикой. Поэтому детальное изучение ее свойств — важнейшая задача наблюдательной космологии. Чтобы выяснить физическую природу темной энергии, необходимо в первую очередь максимально точно исследовать, как менялся в прошлом режим расширения Вселенной. Можно пытаться прямо измерить зависимость темпа расширения от расстояния. Однако из-за отсутствия в астрономии надежных методов определения внегалактических расстояний достичь на этом пути необходимой точности практически невозможно. Но есть другие, более перспективные способы измерения темной энергии, которые являются логическим развитием структурного аргумента в пользу ее существования.



Как уже отмечалось, темп образования структур очень сильно зависит от плотности темной энергии. Сама она не может скучиваться и создавать структуры и препятствует гравитационному скучиванию темной и обычной материи. Кстати, поэтому в нашу эпоху те комки вещества, которые еще не начали сжиматься, постепенно «растворяются» в море темной энергии, переставая «чувствовать» взаимное притяжение. Человечество, таким образом, является свидетелем максимального в истории Вселенной темпа образования структур. В дальнейшем он будет только уменьшаться.

Чтобы определить, как менялась со временем плотность темной энергии, нужно научиться «взвешивать» структуру Вселенной — галактики и их скопления — на разных красных смещениях. Есть много способов это сделать, ведь объекты измерения — галактики — хорошо изучены и видны даже на больших расстояниях. Наиболее прямолинейный подход состоит в тщательном подсчете галактик и их структур по упоминавшейся трехмерной карте пространственного распределения галактик. В другом методе масса структуры оценивается по создаваемому ею неоднородному гравитационному полю. Проходя через структуру, свет отклоняется ее гравитацией, и в результате видимые нами изображения далеких галактик деформируются. Измеряя возникающие искажения, можно определить (взвесить) структуру на пути следования света. Этим методом уже сделаны первые успешные наблюдения, а на будущее запланированы космические эксперименты — ведь надо достичь максимальной точности измерения.

^ 4.Черные дыры и кротовые норы.

Значительная часть вещества во Вселенной, "темная" материя и "темная" энергия сконцентрированы в "пожирателях звезд" - черных дырах, самых страшных и притягательных объектах в мироздании. В "Курсе теоретической физики" Лев Ландау назвал черную дыру самой красивой из всех существующих теорий. Быть может, именно черные дыры предвидел А.С.Пушкин, когда говорил об упоении бездны мрачной на краю и неизъяснимых от этого зрелища наслаждениях для сердца (взято из «Пир во время чумы»). Макс Борн восхищался черной дырой как творением искусства. Виталий Гинзбург говорил, что черные дыры вызывают чувство, родственное тому, которое испытывают, глядя на самые выдающиеся шедевры живописи, скульптуры, архитектуры. Американец Кип Торн написал: "Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и химер до водородной бомбы, самое фантастичное - это образ черной дыры, границу которой ничто не может пересечь, и даже свет задерживается в ней мертвой хваткой". Это происходит потому, что вторая космическая скорость черной дыры равна скорости света 300 000 км/с - самая быстрая скорость распространения взаимодействия во вселенной, значит, даже квант света не сможет выйти на бесконечность. Именно поэтому черную дыру называют "черной".

Если недоступная красавица хотя бы изредка должна являться своим поклонникам, то для черной дыры это необязательно, ибо она в принципе невидима. При обилии дифирамбов черную дыру можно обнаружить лишь по косвенным признакам. Академики Я.Б. Зельдович и Е.Е. Салпетер в 1964 году предположили, что вокруг чёрной дыры должен возникать диск из падающего в неё вещества. Ускоряясь по мере приближения к горизонту событий, это вещество порождает мощные потоки рентгеновского излучения, а чёрная дыра, таким образом, становится компактным источником рентгеновских лучей. Именно рентгеновский ореол и служит главным ориентиром при поиске кандидатов в чёрные дыры. Поскольку земная атмосфера непрозрачна для таких лучей, первый рентгеновский источник, расположенный за пределами Солнечной системы — Sco X-1, — открыли в 1962 году с борта американской ракеты „Аэроби“. Экспериментом руководил Р. Джиакони, которого в 2002 году удостоили Нобелевской премии за развитие рентгеновской телескопии. По быстрой переменности рентгеновского излучения, профилям рентгеновских линий в спектре и другим похожим признакам оценивают радиус дыры.

Рентгеновское свечение — не единственный признак. Есть ещё движение звёзд, газовых облаков или газовых дисков в гравитационном поле: по его параметрам можно проверить, нет ли неподалёку очень тяжёлого и тёмного объекта. Наиболее трудная задача — поиск свидетельств, подтверждающих, что у кандидата нет поверхности. Именно достоверное обнаружение горизонта событий позволит уверенно сказать, что чёрная дыра наконец-то найдена. Дело в том, что чёрная дыра — не единственное компактное небесное тело, которое невозможно разглядеть на небосклоне. Есть, например, нейтронные звёзды — объекты диаметром в десятки километров и массой не более трёх солнечных.

Когда магнитное поле нейтронной звезды относительно невелико, вещество из внутренних частей аккреционного диска растекается по её поверхности, накапливается, и затем происходит ядерный взрыв. Возникает эффект рентгеновского барстера (от английского глагола to burst — взрываться) первого типа: короткие (длительностью в секунды) и мощные вспышки рентгеновского излучения. Таким образом, феномены рентгеновского пульсара и рентгеновского барстера первого типа — явные признаки наличия поверхности у объекта; такой объект не может быть чёрной дырой.

Ещё одним признаком наблюдаемой поверхности, по мнению А. М. Черепащука, является феномен радиопульсара: быстро вращающаяся нейтронная звезда с сильным магнитным полем находится в режиме эжекции — выброса релятивистских, то есть двигающихся со скоростью, близкой к скорости света, заряженных частиц. В этом случае регистрируются короткие (от миллисекунд до секунд) и строго периодические импульсы радиоизлучения. И всё же отсутствие феноменов рентгеновского пульсара, радиопульсара или рентгеновского барстера первого типа — лишь необходимое, но недостаточное условие для того, чтобы считать компактный объект чёрной дырой.

Черная дыра - это гравитационная бездна, откуда нет выхода. объект, на границе которого время остановилось и наружу не выходит ничего. В центре черной дыры находится особая область — сингулярность, куда необратимо сжалось все имевшееся в первоначальном космическом объекте вещество; там действуют неведомые нам законы физики. Эту область окружает так называемый горизонт событий — пространственно-временная поверхность, где время останавливает свой ход. Если мы пошлем к черной дыре космический корабль, то с точки зрения внешнего наблюдателя на горизонте событий он остановится, как бы мы ни наращивали мощность его двигателей, — ибо и время там стоит. Но в самом корабле время идет обычным порядком, он проходит горизонт событий и приближается к сингулярности и разрывается приливными силами.

Согласно эйнштейновской теории тяготения - общей теории относительности (ОТО) четырехмерное пространство-время, в котором мы живем, искривлено, а знакомая всем гравитация и есть проявление такого искривления. Материя «прогибает», искривляет пространство вокруг себя, и - чем она плотнее, тем сильнее искривление. Многочисленные альтернативные теории тяготения, счет которым идет на сотни, отличаясь от ОТО в деталях, сохраняют главное - идею кривизны пространства-времени. И если пространство кривое, то почему бы ему не принять, к примеру, форму трубы, накоротко соединяющей области, разделенные сотнями тысяч световых лет, или, допустим, далекие друг от друга эпохи - ведь речь идет не просто о пространстве, а о пространстве-времени?

Искаженная двухмерная координатная сетка иллюстрирует искривление пространства вблизи черной дыры. Яркая точка на рисунке соответствует сингулярности, где кривизна пространства-времени обращается в бесконечность. Всякое тело, залетевшее внутрь уходящего в глубину конуса, уже никогда не возвратится назад.

Вблизи черной дыры гравитационное поле так значительно, что световые лучи заметно искривляют свой путь. Человеку неискушенному путешествия во времени представляются воплощенным абсурдом. Но вот для физиков и математиков процедура обращения времени - совершенно привычный "прием".

Мысли о столь сильном искривлении нашего пространства-времени возникли сразу после появления ОТО - уже в 1916 году австрийский физик Л. Фламм обсуждал возможность существования пространственной геометрии в виде некой норы, соединяющей два мира. Кротовая нора состоит из "темной" энергии вещества с отрицательным давлением (в отличие от черной дыры, которая состоит из сжатого барионного вещества). В кротовой норе нет всеобщего коллапса в центре и нет горизонта событий. Это означает, что имеется принципиальная возможность войти в кротовую нору и выйти наружу в другой точке Вселенной или вовсе в другой Вселенной.

- Если удастся создать вещество с отрицательным давлением и антигравитацией, тогда можно и в земных условиях войти в кротовую нору и начать путешествие во времени, - спокойно говорит Игорь Новиков член-корреспондент РАН.

- Но сначала надо создать материал для тоннелей, из которых будут построены кротовые норы, - размышляет Анатолий Черепащук. - Ума не приложу, что это должен быть за материал. Но что-то придумается, соблазн для прыжка во времени очень велик.

- Представьте лист бумаги, на котором две точки соединены прямой, - говорит член-корреспондент РАН Игорь Новиков. - Если этот лист свернуть, точки окажутся рядом и их можно проткнуть иголкой. Так во Вселенной есть разные пути между точками - можно двигаться миллионы световых лет, а можно пройти через пространственный тоннель. Собственно, даже подъезжать к кротовой норе на корабле необязательно. Черная дыра, как подпольщик или террорист, маскируется от наблюдателя, а кротовая нора от общественности не прячется. Если можно было бы с помощью мощного телескопа заглянуть через горловину внутрь кротовой норы, то мы увидели бы свет далекого прошлого и узнали о событиях, которые случились несколько миллиардов лет назад.

Главная задача, которую предстоит решить в ближайшее десятилетие, — поиск достаточных критериев, которые позволили бы утверждать, что найденные кандидаты действительно представляют собой настоящие чёрные дыры.

И конечно, нужно продолжить рутинное накопление сведений о массах чёрных дыр и нейтронных звёзд, статистическое сравнение различий в наблюдательных проявлениях аккрецирующих чёрных дыр и нейтронных звёзд.


5.Заключение.

Чёрные дыры являются совершенно необычными по своим свойствам объектами. Несмотря на весь прогресс, достигнутый в их изучении, природа пространства и времени чёрных дыр в большой мере остаётся загадочной. Некоторые аспекты этой проблемы всё ещё выглядят как научные забавы, интересные только для специалистов.

Что касается практической реализации новых идей, мы хотели бы заключить обзор напоминанием о том, что в середине XIX века даже такая практическая (теперь) вещь, как электричество, казалась научной абстракцией. Когда британский премьер-министр того времени спросил Фарадея о практической ценности электричества, Фарадей ответил: „Когда-нибудь ваше правительство введёт на него налог“.

Конечно, как часто бывает в науке, впечатляющие успехи физики частиц и космологии поставили неожиданные и фундаментальные вопросы. Мы сегодня не знаем, что представляет собой основная часть материи во Вселенной. Мы можем только догадываться, какие явления происходят на сверхмалых расстояниях, и какие процессы происходили во Вселенной на самых ранних этапах её эволюции. Замечательно, что на многие из этих вопросов ответы будут найдены в обозримом будущем — в течение 10–15 лет, а может быть, и раньше. Наше время — это время кардинального изменения взгляда на природу, и главные открытия здесь еще впереди.

^ 6. Список использованной литературы.

  1. Казаков Д.И. «Ждем открытий в физике элементарных частиц!»

  2. Журнал «Наука и жизнь»,2004 год.

  3. С. В. Михеев «Темная энергия и темная материя - проявление нулевых колебаний электромагнитного поля»

  4. И.Новиков. Черные дыры и Вселенная. М., “Молодая гвардия”,

  5. Энциклопедический словарь юного астронома.

  6. И.А.Климишин . Астрономия наших дней

  7. Журнал «Вокруг Света»,2008

  8. Статьи Рубакова Валерия Анатольевича

  9. Сайт: http://physics.kgsu.ru/

  10. Сайт: http://www.astrogalaxy.ru

  11. Сайт: http://www.krugosvet.ru

  12. Сайт: http://wsyachina.narod.ru/



7. Приложения.

Приложение 1.










Скопление галактик (в левой нижней части участка, обведенного кружком) создает гравитационную линзу. Она искажает форму расположенных за линзой объектов — вытягивая их изображения в одном направлении. По величине и направлению вытягивания международная группа астрономов из Южной Европейской обсерватории, возглавляемая учеными из парижского Института астрофизики, построила распределение масс, которое и показано на нижнем изображении. Как видно, в скоплении сосредоточено гораздо больше массы, нежели удается разглядеть в телескоп.









Охота на темные массивные объекты — дело небыстрое, и на фотографии результат выглядит не самым эффектным образом. В 1995 году телескоп «Хаббл» заметил, что одна из звездочек Большого Магелланова облака вспыхнула ярче. Это свечение продолжалось три с лишним месяца, но потом звезда вернулась к своему естественному состоянию. А шесть лет спустя рядом со звездой появился какой-то едва светящийся объект. Это и был холодный карлик, который, проходя на расстоянии 600 световых лет от звезды, создал гравитационную линзу, усиливающую свет. Расчеты показали, что масса этого карлика составляет всего 5–10% от массы Солнца.


Приложение 2.