Чёрные дыры

1. Чёрные дыры Новиков Иван Александрович 1 курс магистратуры ФТФ, напр. Физика Кубанский Государственный Университет 29 мая 2013 г.

2. Введение

3. Введение История Практика Область применения термина Астрономия Иван Новиков: Чёрные дыры 3 / 29 Кубанский Государственный Университет

4. Введение История Практика Область применения термина Судьбы звёзд (что может быть пафоснее) 1 M < 1.4 · M☼ ⇒ белый карлик + протопланетная туманность 2 1.4 · M☼ < M < 10 · M☼ ⇒ нейтронная звезда + туманность от сверхновой 3 10 . . . 20 · M☼ < M ⇒ ЧЁРНАЯ ДЫРА Иван Новиков: Чёрные дыры 4 / 29 Кубанский Государственный Университет

7. Введение История Практика Определение термина Понятие чёрной дыры Определение ЧЁРНАЯ ДЫРА — область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. v2 > c Определение Границу области, за которую не выходит свет, называют горизонтом событий, или просто «горизонтом» чёрной дыры. Иван Новиков: Чёрные дыры 5 / 29 Кубанский Государственный Университет

8. Введение История Практика Определение термина Вывод второй космической скорости M m m Какая min v нужна, чтобы улететь на ∞? ИЛИ: Какую v будет иметь, упав с ∞? Закон сохранения энергии: mv2 2 2 − G mM R = 0 Решая относительно v2: v2 = √︂ 2G M R Иван Новиков: Чёрные дыры 6 / 29 Кубанский Государственный Университет

9. Введение История Практика Определение термина Вывод второй космической скорости M m m Какая min v нужна, чтобы улететь на ∞? ИЛИ: Какую v будет иметь, упав с ∞? Закон сохранения энергии: mv2 2 2 − G mM R = 0 Решая относительно v2: v2 = √︂ 2G M R Иван Новиков: Чёрные дыры 6 / 29 Кубанский Государственный Университет

10. Введение История Практика Определение термина Вывод второй космической скорости M m m E = T + U = 0 E = mv2 2 2 − G mM R Какая min v нужна, чтобы улететь на ∞? ИЛИ: Какую v будет иметь, упав с ∞? Закон сохранения энергии: mv2 2 2 − G mM R = 0 Решая относительно v2: v2 = √︂ 2G M R Иван Новиков: Чёрные дыры 6 / 29 Кубанский Государственный Университет

11. Введение История Практика Определение термина Вывод второй космической скорости M m m E = T + U = 0 E = mv2 2 2 − G mM R Какая min v нужна, чтобы улететь на ∞? ИЛИ: Какую v будет иметь, упав с ∞? Закон сохранения энергии: mv2 2 2 − G mM R = 0 Решая относительно v2: v2 = √︂ 2G M R Иван Новиков: Чёрные дыры 6 / 29 Кубанский Государственный Университет

12. Введение История Практика Определение термина Гравитационный радиус в классической механике Итак, вторая космическая скорость v2 = √︂ 2G M R Подставляя условие v2 > c: c2 < v2 2 = 2G M R Получаем для данной массы M такой радиус, при котором ничто не сможет улететь: R < 2G M c2 Иван Новиков: Чёрные дыры 7 / 29 Кубанский Государственный Университет

15. История

16. Введение История Практика Основные этапы 1784 . . . 1915 — Дж. Мичелл, расчёт массы для недоступного наблюдению объекта 1915 . . . 1975 — К. Шварцшильд, стационарное решение уравнений Эйнштейна (ОТО) 1975 . . . — C. Хокинг, идея об излучении чёрных дыр Иван Новиков: Чёрные дыры 9 / 29 Кубанский Государственный Университет

19. Введение История Практика «Чёрная звезда» Мичелла Джон Мичелл 1724–1793 Английский геофизик и астроном, занимался оптикой и гравитацией В 1784 высказал идею небесного тела, невидимого из-за того, что v2 > c Рассчитал, что таковым будет тело с R = 100 · R☼ и 𝜌 = 𝜌☼ Сообщил о своей идее Лондонскому Королевскому Обществу. Иван Новиков: Чёрные дыры 10 / 29 Кубанский Государственный Университет

20. Введение История Практика «Чёрная звезда» Мичелла Пьер-Сим´он Лаплас 1749–1827 Выдающийся французский математик, физик и астроном Известен работами в области небесной механики, дифференциальных уравнений, один из создателей теории вероятностей Включил идеи Мичелла в свой труд «Exposition du Systeme du Monde» Потом убрал, но благодаря ему эта мысль получила известность Иван Новиков: Чёрные дыры 11 / 29 Кубанский Государственный Университет

21. Введение История Практика «Чёрная звезда» Мичелла После Мичелла Поначалу идея не вызывала интереса: в классической механике скорость света не имеет фундаментального значения В 1905 году Эйнштейн создаёт СТО на основе концепций Лоренца и Пуанкаре: в новой механике c — предельная скорость НО: тогда и Ньютоновская теория тяготения, из которой мы вывели чёрные дыры, тоже не верна (Ooops!) Нас спасёт общая теория относительности! (ОТО) Браво, Эйнштейн! Иван Новиков: Чёрные дыры 12 / 29 Кубанский Государственный Университет

25. Введение История Практика Чёрные дыры в общей теории относительности Уравнения Эйнштейна (Было) Теория гравитации Ньютона: F = G Mm r2 (Стало) Теория гравитации Эйнштейна: Rab − R 2 gab + Λgab = 8𝜋G c4 Tab Иван Новиков: Чёрные дыры 13 / 29 Кубанский Государственный Университет

26. Введение История Практика Чёрные дыры в общей теории относительности Уравнения Эйнштейна (Было) Теория гравитации Ньютона: F = G Mm r2 (Стало) Теория гравитации Эйнштейна: Rab − R 2 gab + Λgab = 8𝜋G c4 Tab Иван Новиков: Чёрные дыры 13 / 29 Кубанский Государственный Университет

27. Введение История Практика Чёрные дыры в общей теории относительности Карл Шварцшильд 1873–1916 Немецкий астроном и физик, профессор Гёттингенского университета, директор астрофизической обсерватории в Потсдаме Ещё до появления ОТО исследует возможность того, что пространство является неевклидовым Заболел на фронте смертельной болезнью, в госпитале написал две статьи по ОТО и фундаментальную работу по квантовой теории Бора — Зоммерфельда Иван Новиков: Чёрные дыры 14 / 29 Кубанский Государственный Университет

28. Введение История Практика Чёрные дыры в общей теории относительности Решение Шварцшильда Изолированная невращающаяся, незаряженная и не испаряющаяся чёрная дыра Горизонт событий — это сфера, радиус которой называется гравитационным радиусом или радиусом Шварцшильда rs = 2G M c2 Совпадает по величине с классическим результатом! Но причина другая: сильное искривление метрики пространства-времени Иван Новиков: Чёрные дыры 15 / 29 Кубанский Государственный Университет

32. Введение История Практика Чёрные дыры в общей теории относительности Радиус Шварцшильда Значения rs для типичных масс: M = Mземли = 5, 972 · 1024 кг ⇒ rs = 9 мм M = M☼ = 1, 989 · 1030 кг ⇒ rs = 3 км Вывод Вещество в чёрной дыре должно быть очень плотным. Иван Новиков: Чёрные дыры 16 / 29 Кубанский Государственный Университет

33. Введение История Практика Чёрные дыры в общей теории относительности Радиус Шварцшильда Значения rs для типичных масс: M = Mземли = 5, 972 · 1024 кг ⇒ rs = 9 мм M = M☼ = 1, 989 · 1030 кг ⇒ rs = 3 км Вывод Вещество в чёрной дыре должно быть очень плотным. Иван Новиков: Чёрные дыры 16 / 29 Кубанский Государственный Университет

34. Введение История Практика Чёрные дыры в общей теории относительности Стивен Хокинг 1942–... Один из наиболее влиятельных и известных физиков-теоретиков и космологов Применил термодинамику к описанию чёрных дыр Разработал в 1975 г. теорию о том, что чёрные дыры «испаряются»: излучение Хокинга В 2004 году показал, что чёрная дыра искажает проглоченную информацию, но не разрушает её бесследно. Иван Новиков: Чёрные дыры 17 / 29 Кубанский Государственный Университет

35. Введение История Практика Чёрные дыры в общей теории относительности Что дальше? В теории ещё много открытых вопросов... Так всё-таки пропадает ли в них информация? Какова структура вращающихся чёрных дыр? Как влияет излучение Хокинга на горизонт событий? Могут ли они помочь путешествовать в пространстве и времени? Что будет, если две чёрные дыры столкнутся? Чем заканчивается испарение чёрной дыры? А пока — перейдём к практике! Иван Новиков: Чёрные дыры 18 / 29 Кубанский Государственный Университет

36. Практика

37. Введение История Практика Наблюдение чёрных дыр Как увидеть чёрную дыру? Можно рассчитать каким-либо способом массу и радиус объекта и понять, является ли он чёрной дырой Но можно ли её именно увидеть? Напрямую — всё-таки нет, но косвенно — да! Иван Новиков: Чёрные дыры 20 / 29 Кубанский Государственный Университет

38. Введение История Практика Наблюдение чёрных дыр Как увидеть чёрную дыру? Можно рассчитать каким-либо способом массу и радиус объекта и понять, является ли он чёрной дырой Но можно ли её именно увидеть? Напрямую — всё-таки нет, но косвенно — да! Иван Новиков: Чёрные дыры 20 / 29 Кубанский Государственный Университет

39. Введение История Практика Наблюдение чёрных дыр Гравитационное линзирование Определение Гравитационная линза — массивное тело, искривляющее своим гравитационным полем направление распространения электромагнитного излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза. M Изображение объекта нам может казаться раздвоенным, если между нами и объектом — очень массивное тело: галактика или... чёрная дыра? Иван Новиков: Чёрные дыры 21 / 29 Кубанский Государственный Университет

40. Введение История Практика Наблюдение чёрных дыр Гравитационное линзирование Определение Гравитационная линза — массивное тело, искривляющее своим гравитационным полем направление распространения электромагнитного излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза. M Изображение объекта нам может казаться раздвоенным, если между нами и объектом — очень массивное тело: галактика или... чёрная дыра? Иван Новиков: Чёрные дыры 21 / 29 Кубанский Государственный Университет

41. Введение История Практика Наблюдение чёрных дыр Чёрная дыра как гравитационная линза Что-то подобное мы бы увидели, если бы смогли подлететь к чёрной дыре достаточно близко (результат компьютерного моделирования): Виден эффект раздвоения, искажение формы, «Кольцо Эйнштейна» — уменьшенное отражение окружающей галактики вокруг чёрной дыры Иван Новиков: Чёрные дыры 22 / 29 Кубанский Государственный Университет

42. Введение История Практика Наблюдение чёрных дыр Аккреция Определение Аккр´еция (лат. accr¯eti¯o «приращение, увеличение») — процесс падения вещества на космическое тело из окружающего пространства Из-за орбитального движения вещество падает не прямо, а вращаясь по кеплеровским орбитам и образуя аккреционный диск При поглощении вещества чёрной дырой аккреционный диск сильно излучает в рентгеновском диапазоне (не путать с излучением Хокинга!) Иван Новиков: Чёрные дыры 23 / 29 Кубанский Государственный Университет

43. Введение История Практика Наблюдение чёрных дыр Аккреция Определение Аккр´еция (лат. accr¯eti¯o «приращение, увеличение») — процесс падения вещества на космическое тело из окружающего пространства Из-за орбитального движения вещество падает не прямо, а вращаясь по кеплеровским орбитам и образуя аккреционный диск При поглощении вещества чёрной дырой аккреционный диск сильно излучает в рентгеновском диапазоне (не путать с излучением Хокинга!) Иван Новиков: Чёрные дыры 23 / 29 Кубанский Государственный Университет

44. Введение История Практика Наблюдение чёрных дыр Наблюдение аккреции чёрной дырой В апреле 2013 опубликованы1 наблюдения со спутника INTEGRAL Чёрная дыра в центре галактики NGC 4845 «съела» поверхность гигантской планеты-сироты, при этом светимость галактики в рентгеновском диапазоне возросла в 100 раз 1 M. Nikolajuk, R. Walter Tidal disruption of a super-Jupiter by a massive black hole // Astronomy and Astrophysics. — 2013. — Т. 552. — P. A75. Иван Новиков: Чёрные дыры 24 / 29 Кубанский Государственный Университет

45. Введение История Практика Местонахождение чёрных дыр Где мы можем их встретить? Итак, более или менее понятно, как искать чёрные дыры Так где же они были найдены к настоящему моменту? Иван Новиков: Чёрные дыры 25 / 29 Кубанский Государственный Университет

46. Введение История Практика Местонахождение чёрных дыр Кандидаты в чёрные дыры Наилучшие кандидаты — ядра галактик: Туманность Андромеды Галактика Сомбреро NGC 4845, поедающая планету И наш Млечный Путь — тоже! Микроквазары —двойные системы с мощной аккрецией Скорпион X1 Лебедь X1 Некоторые другие варианты Иван Новиков: Чёрные дыры 26 / 29 Кубанский Государственный Университет

51. Введение История Практика Заключение Выводы 1 Теория чёрных дыр содержит много запутанных вещей, и понять её чрезвычайно сложно 2 Зато с практикой гораздо проще: уже с современными технологиями можно наблюдать чёрные дыры 3 Наша галактика — классная, в ней есть чёрная дыра :) Иван Новиков: Чёрные дыры 27 / 29 Кубанский Государственный Университет

52. Введение История Практика Литература 1 https://ru.wikipedia.org/wiki/Чёрная_дыра (sad, but true) 2 И. Орлов. Космология, или откуда всё взялось и куда потом денется? (http://www.slideshare.net/OrlovIO/ss-18715909) 3 М. Каку. Физика невозможного. Иван Новиков: Чёрные дыры 28 / 29 Кубанский Государственный Университет

53. Спасибо за внимание! Иван Новиков http://about.me/moonlighter nia.afti@gmail.com

Чёрные дыры

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Чёрные дыры

Similar to Чёрные дыры (20)

More from Ivan Novikov

More from Ivan Novikov (8)

Чёрные дыры