Реферат: Черные дыры

Государственное общеобразовательное учреждение

среднего (полного) образования

школа №643.

Реферат

по астрономии

“Черные дыры”

Выполнил ученик

11 класса “Б”

Гришуль Евгений.

(aka Jackgesman@nm.ru)

Проверила учительница

физики и астрономии

Балабанова М. В. .

Санкт-Петербург

2003 г.
Оглавление:

TOCo«1-3» hzuI Вступление.PAGEREF _Toc41423694 h 2

Введение.PAGEREF _Toc41423695 h 2

II Основная часть.PAGEREF _Toc41423696 h 3

Черная дыра – как последняя стадия эволюции звезд.PAGEREF _Toc41423697 h 3

Обнаружение черных дыр.PAGEREF _Toc41423698 h 4

Математическое описание.PAGEREF _Toc41423699 h 7

Тесные двойные системы.PAGEREF _Toc41423700 h 8

Гравитационные волны.PAGEREF _Toc41423701 h 10

Разрушение звезд.PAGEREF _Toc41423702 h 15

Черные дыры нагревают межгалактическое пространство.PAGEREF _Toc41423703 h 17

Черная дыра может быть и “белой”.PAGEREF _Toc41423704 h 18

Дыра во времени.PAGEREF _Toc41423705 h 20

Небесная механика черных дыр.PAGEREF _Toc41423706 h 22

Суперрадиация.PAGEREF _Toc41423707 h 24

III Заключительная часть.PAGEREF _Toc41423708 h 25

Заключение.PAGEREF _Toc41423709 h 25

Использованные источники.PAGEREF _Toc41423710 h 26

IВступление.

Введение.

Одними из самых загадочных объектовво вселенной являются черные дыры. Я не случайно выбрал эту тему. Черные дырыявляются одновременно очень простыми и очень сложными в понимании. Черная дыраявляется порождением тяготения.Их тяжело изучать, т.к. они в данный моментвремени недосягаемы для нас, но по расчетам математиков о них можно судить.Даже изучение этих объектов на расстоянии давалось с трудом (пока на орбиту невзошли рентгеновские обсерватории). Ведь свет не может покинуть горизонтсобытий черной дыры, поэтому об их существовании можно было судить только помощному воздействию на окружающую материю. Поэтому в видимом спектре излучениятакие объекты обнаружить нельзя. Это были сложности черных дыр. К простымчертам этих объектов можно отнести то что они не имеют химического состава иописываются только математическими законами гравитации Эйнштейна.Удивительно, но такие экзотические объекты устроены даже проще чем звезды.Поверхности, в нашем понимании, у нее нету. Характеризуются эти объекты впервую очередь массой, во вторую – моментом количества движения, в третью –электрическим зарядом. Сам термин “черная дыра” был введен в науку ДжономУилером в 1968г для обозначения сколлапсировавшейся звезды. Еще Пьер СимонЛаплас в свое время уже догадывался о возможности существования таких объектов.Он писал: “Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотностиЗемли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-засилы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом,возможно, самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своейвеличины остаются невидимыми”. Основываясь только на законе тяготения Ньютона,Лаплас приходит к открытию того, что тела с огромной массой и повышеннойплотностью не позволят излучению покидать их поверхность. Это было предвидениемчерных дыр. Однако реальные характеристики черных дыр отличны от лапласовских,так как они определяются теорией относительности Эйнштейна, уточняющей теорию Ньютона.

IIОсновнаячасть.

Черная дыра – как последняя стадия эволюции звезд.

После выгорания термоядерного вещества взвезде, масса которой сравнима с массой солнца, то свойства газа кардинальноменяются. Подобный газ называется вырожденным, а звезды, которые состоят изнего – вырожденными звездами (в середине 20х годов итальянский физик ЭнрикоФерми разработал теорию, которая описывает свойства газов с плотностями,характерными для белых карликов. Давление такого газа не зависит от температуры.Оно остается высоким, даже если тело охладить до абсолютного нуля. Газ,обладающий такими свойствами получил название вырожденного. Эта теория хорошообъясняла наблюдаемые свойства белых карликов, поэтому их стали называтьвырожденными звездами). После образования вырожденного ядра, горениепродолжается в источнике вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звездапереходит в состояние, называемое красным гигантом. Оболочка такого гигантадостигает колоссальных размеров – в сотни радиусов солнца и за время 10-100тысяч лет рассеивается в пространство. Сброшенная оболочка видна какпланетарная туманность. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает, звездапревращается в белый карлик. Средняя плотность вещества белого карлика – 109 кг/м3.Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счетмедленного остывания. Основной запас энергии белого карлика – колебательныедвижения ионов, которые при температуре нижу 15000K образуют кристаллическую решетку. Убелых карликов есть предел массы(граница Чандрасекара, равная 1,4 массыСолнца), при превышении которого звезда превращается в нейтронную звезду (еслиона именно сколлапсирует, а не сбросит оболочку). В ходе коллапса резкоповышается плотность вещества, протоны и электроны объединяются за счет мощногодавления, и образуются нейтроны. Освободившуюся энергию в основном уносятнейтрино. Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывновозрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадратурасстояния. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, придостаточной массе, приближаясь к скорости света. Коллапс обычно останавливаетсяпри плотности ~ 1017 кг/м3, либо выделившаяся энергияразрушает дыру, то есть коллапс перерастает во взрыв. Большинство нейтронныхзвезд образуются при коллапсе звезд с массой более 10 M๏

.Так как размеры звезды сильно сокращаются, то по закону сохранениявращательного импульса, резко возрастает частота вращения вокруг оси. Еслимасса нейтронной звезды больше 3 M๏ (пределОппенгеймера-Волкова), то звезда коллапсирует еще дальше – образуется чернаядыра (маломассивная). Звезды с массой меньше 8 M๏оканчивают жизнь как белые карлики, между 8 и 45 M๏ — как нейтронные звезды; черныедыры образуются только из звезд массивнее 45 M๏. В типичнойгалактике типа нашей должно быть порядка 107– 108 черных дыр звездных масс.

Время гравитационного коллапса звездыразмером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактнойнейтронной звезды – только 1/20 000 секунды.

Обнаружениечерных дыр.

Какизвестно, черные дыры нельзя обнаружить при помощи непосредственных наблюдений.Их можно обнаружить по мощному воздействию на окружающую материю и порентгеновскому излучению, испускаемому веществом при аккреции. Не редковстречаются пары – массивная звезда и черная дыра по соседству. Первый кандидатна такую модель – пара обнаруженная в начале 70х годов. Здесь вращаются горячаяголубая звезда, и, по всей вероятности, черная дыра, массой в 16 M๏

. Другая пара(v404) имеет невидимую массу в 16 M๏.Еще одна подозреваемая пара – ренгеновский источник LMCX9 в 9 M๏,находится в Большом Магеллановом облаке. Все эти случаи хорошо объединяются врассуждения Джона Мишела о “темных звездах”:”Если звезда вращается вокругневидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этоговращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этогоцентрального тела”. Два итальянских астронома, Луиджи Стелла и Марио Виертри,на основе данных, полученных со спутника RXTE, открыли искривление пространства вокруг нейтронной звезды,правда очень слабое. Уже создается спутник “GravityProbeB”, который специальноприспособлен для исследования теории относительности. Измерения параметровдвижения в центральной области нашей галактики вели1992 по 1998 год сотрудникиинститута внеземной физики имени Макса Планка в Гаршинге(в Германии) подруководством А. Эскарта. Они определяли скорость перемещения звезд с помощьюспециального спектрометра. Оказалось, что с наибольшей скоростью движутся тезвезды, которые расположены поблизости от объекта Стрелец А, который и раньшеотносили к семейству черных дыр. У звезд, удаленных от него всего лишь на 5световых суток, скорость обращения вокруг центра превышает 1000 км/с.Вычисления показали, что что подобное движение может наблюдаться лишь в томслучае, если в центре галактики находится объект, масса которого составляет 2,6млн. масс солнца, а плотность такая, как если бы 2 триллиона солнц “втиснуть” водин кубический световой год. Такими свойствами может обладать лишь чернаядыра, существующая порядка миллиона лет. О сходных результатах сообщила наконференции Американского астрономического общества А.М.Гез. Вместе со соимиколлегами она вела наблюдения в том же инфракрасном диапазоне частот(2мкм), чтои Эскарт, но на более мощном 10-метровом телескопе имени Кека на горе Мауна-Кеана Гавайских островах. Они установили, что звезды, расположенные к центругалактики вдвое ближе, чем наблюдавшиеся немецкими астрономами, движуться соскоростью 3000 км/с. По мнению Гез, такую скорость может вызвать только чернаядыра с массой 2,7 миллионов солнечных. При таких огромных величинах выводыобеих групп можно считать почти идентичными. Итак, в центре нашей галактики, повсей видимости, также находится черная дыра. Массивные черные дыры в нашей исоседних галактиках должны быть уменьшенными версиями тех сильно нестационарныхявлений, что наблюдаются в активных галактических ядрах. Но последние слишкомдалеки, чтобы можно было проводить спектроскопическое исследование их динамики.Однако, оценки их светимости и теоретические ограничения на эффективность энерговыделенияв сильных гравитационных полях показывают, что центральные темные массы тамзаключены в пределах 107-109 M๏.Переменность излучения на малых временах также свидетельствует о малых размахизлучающих областей; многие активные ядра сильнопеременны на временных шкалахпорядка часа, что ограничивает область излучения масштабом светового часа. Атакие большие массы в таких малых объемах не могут быть скоплениями звезд,потому аккрецирующие массивные черные дыры остаются единственным приемлемымобъяснением. Несколько лет назад группа американских и японских астрономовнаправила свой телескоп на созвездие гончих псов, на находящуюся там спиральнуютуманность M106. Этагалактика удалена от нас на 20 млн. световых лет, но ее можно увидеть даже слюбительского телескопа. Долгое время многие считали, что она такая же, как идругие галактики. При внимательном изучении оказалось, что у этой туманностиесть одна особенность – в ее центральной части существует природный квантовыйгенератор – мазер. Это газовые облака, в которых молекулы газа благодаря,излучают радиоволны. Мазер позволяет точно определить свое местоположение искорость облака, а в итоге и других небесных тел. Японский астроном МанотоМионис и его коллеги во время наблюдения туманности М106 обнаружили странноеповедение ее мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра,удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтересовала скорость этоговращения – ближние слои (к черной дыре) облаков двигались со скоростью ~1110км/с. Это говорит о том, что в центре сосредоточена огромная масса. По расчетамона оказалась равной 36 миллионам солнечных! Астрономы отбросили предположение,что такая масса вызвана скоплением звезд, достаточно тесно расположенных друг кдругу, т.к. из-за своего движения они слиплись бы. Осталось наиболее верноепредположение – такая масса вызвана наличием черной дыры. Американским ученымудалось зафиксировать рентгеновское излучение от супермассивных черных дыр,которые до недавнего времени считались тихими. Эти дыры существуют в центрахсамых старых и самых массивных галактик и имеют массу, сравнимую с массоймиллиардов солнц, сжатую до размеров солнечной системы. В то время, когданаибольший процент черных дыр излучают рентгеновские потоки, большинствомассивных черных дыр рентгеновским излучением не обладают. Последние наблюденияпоказали, что “тихие” супермассивные черные дыры присутствуют во всехгалактиках, в том числе и в нашей, и могут стать ключом в вопросе пониманияпроисхождения вселенной.

С помощью космического спектрографаХаббла удалось запечатлеть “автограф” сверхмассивной черной дыры, расположеннойв центре галактики М84. Несмотря на то, что гравитация не позволяет светупокинуть окрестность черной дыры, ее присутствие можно обнаружить по падающемупо спирали с огромным ускорением на поверхность черной дыры межзвездномувеществу, скорость которого (определенная по эффекту Доплера), составляетпримерно 380 км/с на расстоянии 26 световых лет от центра М84.

Два астронома из университета Дарэма(Великобритания) д-ра Кристин Дон и Марек Гирлински представили для публикациив ежемесячном вестнике Королевского астрономического общества статью, в которойони обосновывают существование в космосе «настоящих» черных дыр, тоесть объектов, не имеющих поверхности в обычном понимании этого слова. Дон иГирлински провели исследования целого ряда известных горизонтов событий, чтобыопределить разницу между объектами, которые считаются черными дырами инейтронными звездами. Любая материя, захваченная мощным гравитационным полемлюбого из этих объектов, начинает двигаться по спирали к их центру, достигаяпри этом скорости, равной половине скорости света, и преобразуя частьгравитационной энергии в рентгеновское излучение. То есть тут все происходитодинаково. В случае «настоящей» черной дыры материя должна простонавсегда сгинуть в этой дыре, унеся туда оставшуюся у нее энергию, а в случаенейтронной звезды материя падает на ее поверхность, и при этом выделяетсяоставшаяся у этой материи энергия. Поэтому рентгеновское излучение нейтронныхзвезд и «настоящих» черных дыр должно выглядеть по разному. Дон иГирлински в своих выводах опирались на данные, полученные космическимрентгеновским телескопом Rossi X-ray Timing Explorer за 6 лет наблюдений. Иоказалось, что спектры рентгеновского излучения нейтронных звезд и черных дырсильно отличаются, и отличаются они прежде всего наклоном огибающей спектра вкоротковолновой и длинноволновых областях рентгеновского диапазона длин волн.Авторы считают, что это отличие можно объяснить только тем, что нейтроннаязвезда имеет поверхность, а черная дыра — нет. Совсем недавно орбитальныйтелескоп, носящий имя американского астронома Хаббла, передал на Землюэпохальные снимки. Они показывают центр крупной галактики «Центавр-А»(NGC 5128), расположенной по космическим меркам недалеко от Земли — десятьмиллионов световых лет. Находящаяся там массивная черная дыра«заглатывает» маленькую соседнюю галактику. Специальная фотокамераотчетливо показала окружающий галактику NGC 5128 темный пояс из пыли сомножеством светящихся голубым цветом недавно рожденных звезд и пылевыхсгущений, погруженных в газовые облака. Снимки, сделанные в инфракрасных лучах,помогли астрономам заглянуть за пылевой занавес. Они открыли там изогнутуюшайбу горячего газа, которая всасывается в черную дыру. Этот пожиратель материиоказался очень компактным: он немного больше нашей солнечной системы и содержитмассу, равную одному миллиарду солнц.

Самым надежным доказательствомсуществования черных дыр стало бы обнаружение излучаемых ими гравитационныхволн. То, что гравитация способна распространяться подобно свету, известно сначала XX века, но до сих пор все попытки зафиксировать гравитационные волныоканчивались неудачей — слишком уж они слабы. Но техника постоянно совершенствуется,и сейчас в процессе создания находятся несколько гравитационных телескопов, какназемных, так и космических. Не исключено, что уже в первые годы работы ониобнаружат вспышки гравитационного излучения, сопровождающие рождение одиночнойдыры или слияние двух черных дыр.

Итак, имеются 3 способа обнаруженияэтих объектов:

1. Нужно проследить за обращением звезд в скопленияхвокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет,и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенносказать: в этой «пустоте» находится черная дыра. Именно по этому признакупредположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.

2. Черная дыра активно всасывает в себя материю изокружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звездпадают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобныйкольцу Сатурна. Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение иначинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерныйспектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне.И если из какой‑то области Вселенной приходит такое излучение, можнос уверенностью сказать – там должна быть черная дыра.

3. При слиянии двух черных дыр возникаетгравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет околодесяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационныхволн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу разбольше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за всевремя своего существования – пять миллиардов лет. Обнаружить гравитационноеизлучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других,которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российскихисследователей.

Эффект Доплера заключается в том, что линии в спектредвижущегося источника смещены на величину пропорциональную скорости приближенияили удаления от наблюдателя.

Математическоеописание.

Для любого астрономического объекта(планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, иливторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда егопокинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновскаятеория, согласно которой свет – это поток частиц (до теории электромагнитныхволн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частицможно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхностипланеты и кинетической энергии тела, «убежавшего» на бескончно большоерасстояние. Эта скорость определяется формулой V2=2GM/R, где M – масса космического объекта, R – егорадиус, G – гравитационная постоянная. Отсюда легко получается радиустела заданной массы (позднее получивший название гравитационный радиус — rg), при которомскорость убегания равна скорости света: rg=2GM/ c2.

Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом rg< 2GM/ c2, перестанетизлучать – свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.

Несложнорассчитать, что Солнце (его масса 2·1033 г) превратится вчерную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность еговещества при этом достигнет 1016 г/см3. РадиусЗемли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одногосантиметра.

Казалосьневероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до стольничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчелла и Лапласа более ста летсчитались чем‑то вроде математического парадокса, не имеющего физическогосмысла.

Строгоематематическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосевозможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварцшильд,проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получилинтересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном полемассивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (егорешение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = rg.

Точки,в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то естьособыми. Точки, расположенные на сферической поверхности радиусом rg,образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скоростисвета и за границей которой мы не сможем получить никакой информации.

Тесные двойные системы.

В космосе часто встречаются звездные пары,в которых одним компонентом является звезда-гигант (или сверхгигант), а вторым– маленькое компактное тело, которое может являться или черной дырой илинейтронной звездой. Имеются косвенные доказательства существования черных дырболее чем в 10 тесных двойных системах. Об их наличии свидетельствуетотсутствие проявлений твердой поверхности, характерных для нейтронных звезд, иналичие массы у невидимого компонента более 3 солнечных. Ее гравитационное полеможет оказаться достаточно сильным, чтобы срывать вещество с нормальной дыры.Газ начинает отделяться от внешних слоев звезды и падать на невидимый спутникпо спирали, причем сам газ будет доступен наблюдениям. Газ постоянноускоряется, его частицы постоянно взаимодействуют между собой – в результатегаз сильно разогревается и становится источником высокоэнергичного излучения вгамма и рентгеновском диапазонах. Следовательно, излучает не сама черная дыра,а газ на подходе к ней. Такое излучение невозможно принять с Земли, его непропустит атмосфера. Его регистрируют при помощи внеатмосферных приемниковрентгеновского излучения (космические обсерватории). Видимая звезда выдаетналичие своего невидимого партнера своим движением. Она обращается вокруг “пустого”места. Одним из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры является ярчайшийисточник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя – Лебедь Х-1. Газовый диск сгазовыми струями, излучающих рентген, огромная голубая звезда с массой не менее10 солнечных, кружащая вокруг рентгеновского источника – вот портрет далекойзвезда V 1343 всозвездии Орла, более известной как объект SS 433. До 1978г эта звезда не привлекала к себе особоговнимания. Открытия последовали в 1979-1980гг и продолжаются до сих пор.Наблюдая за звездой ночью, американским и итальянским астрономам удалосьобнаружить в спектре этой звезды 3 системы эмиссионных линий водорода и гелия.Кроме ярких основных и неподвижных линий имелись 2 системы линий, “гулявших” поспектру с периодом 163 дня. Эти смещения говорили о движении вещества в двухпротивоположных направлениях со скоростью, достигающей четверти скорости света~ 78000км/с. Детальные наблюдения показали, что SS 433 – тесная затменная система,период обращения которой равен 13,1 суток. Видимая голубая звезда имееттемпературу около 30000К и обладает светимостью, примерно в миллион разпревышающую светимость солнца. Она слишком велика, чтобы сохранить своюцелостность в поле тяготения очень компактной второй звезды, и поэтому с неепостоянно перетекает вещество на соседку, образуя аккреционный диск. Наличиерентгеновского излучения окончательно подтвердило наличие компактного тела(черная дыра или нейтронная звезда), ведь только при аккреции на них испускаетсярентгеновское излучение. Компактный источник окружен непрозрачным и очень яркимслоем плазмы с температурой в сотни тысяч градусов. Рентгеновские спектрыплазмы выявили мощнейшую ионизацию атомов железа, до гелие-водородоподобныхсостояний (т.е. вместо 26 электронов имеется только 1 или 2). Остальныевыбиваются со своих орбит ударами релятивистских электронов или рентгеновскимиквантами. Аккреционный диск раз в 13 дней затмевает звезду.

Другие рентгеновские источники в нашейгалактике считаются черными дырами на основании иных — например,спектроскопических — аргументов. К примеру, полагают, что гамма-излучение (сэнергиями более 100кэВ) внутренних частей аккреционного диска могло бысвидетельствовать о наличии черной дыры, а не нейтронной звезды, так как жесткоеизлучение отражалось бы поверхностью нейтронной звезды и охлаждало диск. Еслиэто действительно так, то многие «гамма — новые», в которых измерениемассы невозможно (из-за отсутствия оптической компоненты или иных сложностей),могут быть также хорошими кандидатами в черные дыры. Особенно это относится кНовой Орла 1992 года (Nova Aquila 1992) и источнику 1 E 17407-2942, у которыхнаблюдаются также радиовыбросы — «джеты». Эти«микроквазары», в которых идет как аккреция, так и выброс <img src="/cache/referats/20740/image003.jpg" v:shapes="_x0000_s1026">
вещества, демонстрируют интересную связь высокоэнергичных явлений на масштабахзвезд и галактик.

Гравитационные волны.

Теория тяготения Эйнштейна предсказала существованиегравитационных волн. Они подобны электромагнитным, которые являются быстроменяющимся электромагнитным полем, “оторвавшимся” от своего источника ираспространяющимся в пространстве с предельно большой скоростью — скоростьюсвета. Точно так же гравитационные волны являются изменяющимся гравитационнымполем, “оторвавшимся” от своего источника и летящим в пространстве со скоростьюсвета.

Известно, чтобы обнаружить электромагнитную волну,достаточно в принципе взять электрически заряженный шарик и наблюдать за ним;когда на него станет падать электромагнитная волна, шарик придет вколебательное движение. Но чтобы обнаружить гравитационную волну, одним шарикомне обойтись. Потребуется минимум два, помещенных на некотором расстоянии другот друга. При падении на них гравитационной волны шарики будут то несколькосближаться, то удаляться. Измеряя изменение расстояния между ними, можнообнаружить волны тяготения. Одним шариком не обойтись, т.к. если на шарик недействуют никакие посторонние силы, то он находится в поле гравитационной волныв состоянии невесомости. На шарике не ощущается никаких сил тяготения, ипоэтому невозможно обнаружить проходящую гравитационную волну. Два шарика,находясь на некотором отдалении, подвергаются воздействию поля чуть-чутьпо-разному, и между ними возникает относительное движение. Вот этоотносительное движение и можно измерить.

В случае электромагнитных волн для их обнаружения необязательно брать даже шарик — существуют разные типы электромагнитных антенн.В случае же гравитационных волн придуманы тоже разные конструкции гравитационныхантенн.

Но все выглядит относительно просто только теоретически.На самом деле в сколько-нибудь привычных для нас условиях возникающиегравитационные волны крайне слабы: они должны излучаться при ускоренныхдвижениях массивных тел. Но даже при движении небесных тел излучениегравитационных волн ничтожно. Так, при движении планет в Солнечной системеизлучается гравитационная энергия, равная мощности всего лишь сотниэлектрических лампочек. Хотя это число и может показаться большим по нашим земныммеркам, оно ничтожно по сравнению, скажем, с мощностью светового излученияСолнца, которое в 1023 раз больше. Попытки же создать лабораторныеизлучатели гравитационных волн пока и вовсе обречены на неудачу.

Скажем, можно сделать излучатель гравитационных волн ввиде быстро вращающегося стержня. Если взять стальную болванку длиной 20метров, массой 500 тонн и раскрутить ее до предела на разрыв центробежнымисилами (частота вращения при этом около 30 герц), то она будет излучать всего10-22 доли эрга в секунду.

Приведенные примеры показывают, насколько трудны попыткиобнаружения гравитационных волн. В прямых экспериментах на Земле эти волны покане обнаружены, хотя в разных лабораториях мира построены и строятся уже десяткигравитационных антенн, предназначенных для приема волн тяготения из космоса. Некоторыеастрономические наблюдения прямо показывают, что гравитационные волныизлучаются при движении небесных тел. При движении планет или, например,движении звезд в двойных звездных системах излучаются гравитационные волны,уносящие энергию. Эти потери энергии обычно очень малы. Но чем больше массадвижущихся небесных тел и меньше расстояние между ними, тем интенсивнееизлучение. Потери энергии в системе двойной звезды приводят к постепенномусближению звезд и уменьшению периода их обращения вокруг центра масс. Конечно,это происходит крайне медленно, и тем не менее с помощью специальных способовнаблюдения такое уменьшение периода в одном случае удалось зафиксировать,причем в точном согласии с предсказаниями теории Эйнштейна.

Вернемся к движению тела вокруг черной дыры по круговойорбите. При этом будет происходит излучение гравитационных волн и постепенноеуменьшение радиуса орбиты. Так будет продолжаться до тех пор, пока радиус непримет критического значения трех гравитационных радиусов. На меньшихрасстояниях движение уже неустойчиво. Следовательно, тело, достигнувкритической орбиты, сделав еще несколько оборотов и излучив некотороеколичество энергии, свалится с этого расстояния в черную дыру.

Какое общее количество энергии излучит тело в видегравитационных волн за все время, пока оно двигалось вокруг черной дыры поокружности с медленно уменьшающимся радиусом? Излучение происходит, как мывидели, крайне малоинтенсивно, но сам процесс этот длится чрезвычайно долго!Таким образом, полное количество излученной энергии будет велико. Известно, чтопри ядерных превращениях, например, водорода в гелий или в еще более тяжелыеэлементы, определенная доля массы превращается в энергию. Максимально во всехвидах реакций эта доля может составить около одного процента. В случае жеизлучения гравитационных волн при движении вокруг черной дыры излучаетсяэнергия в шесть раз больше!

Гравитационные волны крайне слабо взаимодействуют свеществом. Поэтому выделяющуюся в виде гравитационных волн энергию очень трудноуловить и использовать для практических нужд.

Академик В.А. Фок был первым,кто обратил внимание на возможность использования астрофизических катастроф какисточника мощного гравитационного излучения (1948).Согласно современнымрасчетам, при слиянии двух нейтронных звезд излучается около 1045 Джв виде всплеска гравитационного излучения, то есть около 1% от полной энергии(Е = mc2) двух звезд. Гравитационная волна растягивает исжимает пространство. Если в ее поле есть две разнесенные системы координат, товолна вызывает их относительное колебательное движение. У гравитационной волнывозможны две поляризации. В первой волна в течение полупериода сжимается повертикали и растягивается по горизонтали, в следующий полупериод — наоборот.Вторая возможная поляризация сдвинута на 45° по отношению к первой. В настоящеевремя ведутся поиски гравитационных волн длиной от размера Вселенной донескольких метров, иными словами, в диапазоне частот от 10-16 до 108 Гц,то есть частотный диапазон поисков перекрывает более чем 20 порядков. Хорошаячувствительность уже достигнута или планируется в интервале частот от 10 до 104 Гц,или на длинах волн от 30 тыс. км до 30 км. На этот диапазон рассчитаны проектыLIGO и VIRGO. На более низкие частоты — от 10-1 до 10-4 Гцгравитационного излучения (длины волн порядка расстояния от Земли до Солнца) — нацелен проект LISA - лазерная космическая антенна, которая, надеюсь,будет запущена в недалеком будущем.

Проект LIGO (Laser InterferometerGravitational wave Observatory) — лазерная интерферометрическаягравитационно-волновая обсерватория — изначально национальный проект США.Проект VIRGO носит латинское название с

еще рефераты

Еще работы по астрономии

Реферат по астрономии

Проблемы существования внеземных цивилизаций

29 Августа 2013

Реферат по астрономии

Эволюция, образование и структура Вселенной

29 Августа 2013

Реферат по астрономии

Телескопы

8 Июня 2015

Реферат по астрономии

Космические составляющие и излучения

29 Августа 2013