Проект по физике с презентацией, 8 класс. Терра инкогнита космического пространства

Содержание
Введение
Образование черных дыр
Гипотезы и их доказательства
Существования черных дыр
Известные черные дыры
Заключение
Список использованной литературы

Введение
Кто видел Черную дыру?
Увы! Она для нас незрима!
Ей и названья нет в миру.
Она ни с чем и несравнима.
Пером описан белый свет,
Воспет поэтами на лирах...
О ней ни мифов, ни легенд,
и знаний нет о ней по миру..
Вот - думаю - она черна,
В ней адский пламень не бушует,
Но для чего-то ж ведь она
В небесной бездне существует?!

В этом явлении, казалось, содержится столько необъяснимого, почти мистического, что даже Альберт Эйнштейн, чьи теории, по сути дела, породили представление о черных дырах, сам просто не верил в их существование. Сегодня астрофизики все больше убеждаются, что черные дыры - это реальность.
Математические расчеты показывают - невидимые гиганты есть.
Цель: Собрать материал о черных дырах
Гипотезу: Черные дыры существуют и есть доказательства их существования.
Задачи :
1. Узнать гипотезы о черных дырах и их теоретические основания
2. Выяснить влияние известных черных дыр на планету Земля в теоретическом и физическом плане
3. Указать на важность развития способов изучения и построения гипотез о черных дырах

Образование черных дыр
Само название - чёрные дыры - говорит о том, что это класс объектов, которые нельзя увидеть.
Чтобы понять, как возникает черная дыра, надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезды. Звезда образуется, когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься силами собственного гравитационного притяжения. В процессе сжатия атомы газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь с все большими и большими скоростями. В результате газ разогревается и в конце концов становиться таким горячим, что атомы водорода, вместо того чтобы отскакивать друг от друга, будут сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, и вызывает сечение звезды. Из-за дополнительного тепла давление газа возрастает до тех пор, пока не уравновесит гравитационное притяжение, после чего газ перестает сжиматься. Это немного напоминает надутый резиновый шарик, в котором устанавливается равновесие между давлением воздуха внутри, заставляющим шарик раздуваться, и натяжением резины, под действием которого шарик сжимается. Подобно шарику, звезды будут долго оставаться в стабильном состоянии, в котором выделяющимся в ядерных реакциях теплом уравновешивается гравитационное притяжение. Но в конце концов у звезды кончится топливо, в этот момент звезда охлаждается и начинает сжиматься. Есть три варианта развития событий: 1) Звезда становиться белым карликом.
2) Звезда становиться Нейтронной звездой.
3) Звезда коллапсирует в черную дыру.
Рассмотрим 3 вариант. По мере сжатия звезды увеличивается гравитационное поле на ее поверхности, и световые лучи все больше будут наклоняться в сторону ее поверхности. Поэтому световым лучам, испущенным звездой, становиться все труднее выйти за пределы гравитационного поля звезды, и удаленному наблюдателю ее свечение будет казаться тусклым и более красным. В конце, когда в ходе сжатия радиус звезды достигнет некого критического значения, гравитационное поле у ее поверхности станет столь сильным, что световые лучи не смогут больше выйти наружу. По теории относительности ни что не может двигаться быстрее света, а это значит, что никакой другой объект не сможет выйти, именно поэтому некую область пространства-времени, из которой невозможно выйти наружу и достичь удаленного наблюдателя назвали черной дырой. Границу черной дыры называют горизонтом событий (рис.1), она совпадает с путями тех световых лучей, которые первыми из всех теряют возможность выйти за пределы черной дыры. О горизонте событий можно сказать так, как сказано у поэта Данте о входе в ад: “Оставь надежду всяк сюда входящих”.
Рис.1. Горизонт событий

Что произойдет, если смелый космонавт направиться прямиком в черную дыру? Для наблюдателя будет выглядеть все так: Чем ближе космонавт приближается к горизонту событий, тем медленнее он будет двигаться для наблюдателя, и при этом он будет растягиваться из-за разницы гравитаций у его головы и у его ног. В конце-концов космонавт просто застынет на границе, так как чем ближе к черной дыре, тем медленнее время идет, и получается у самой границы для космонавта пройдет секунда, а у наблюдателя тысяча-тысяча лет. Для космонавта же есть два варианта либо он обречен навеки скитаться за границей черной дыры, пока не достигнет сингулярности и тогда ему остается только молиться, потому что произойдет не изведанное, либо его разорвет на мелкие частицы.

Гипотезы и их доказательства.
Гипотеза Джона Мичелла:
Считается, что первый человек выдвинувший теорию о черных дырах был Джон Мичелл. Он указал в своей работе на то, что достаточно массивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет выйти за его пределы. Через несколько лет эту же гипотезу выдвинул французский ученый Лаплас, не зависимо от работы Мичелла.

Гипотеза Р. Оппенгеймера и Снайдра:
В 1939г. Р. Оппенгеймер и его аспирант Снайдер в Калифорнийском университете (Беркли) занимались выяснением окончательной судьбы большой массы холодного вещества. Одним из наиболее впечатляющих следствий общей теории относительности Эйнштейна оказалось следующее: когда большая масса начинает коллапсировать, этот процесс не может быть остановлен и масса сжимается в чёрную дыру. Если, например, не вращающаяся симметричная звезда начинает сжиматься до критического размера, известного как гравитационный радиус, то уже не что не может воспрепятствовать ей завершить коллапс, то есть буквально замкнуться в себе. Чему же равен гравитационный радиус? Строгое математическое уравнение показывает, что для тела с массой Солнца гравитационный радиус равен почти 3 км.

Гипотеза Руффини и Уиллера:
Уффини и Уиллер досконально изучили эту проблему и предложили несколько способов пусть не увидеть, но хотя бы обнаружить чёрную дыру. Начнём с того, что, когда чёрная дыра рождается в процессе гравитационного коллапса, она должна излучать гравитационные волны, которые могли бы пересекать пространство со скоростью света и на короткое время искажать геометрию пространства вблизи Земли. Это искажение проявилось бы в виде гравитационных волн, действующих одновременно на одинаковые инструменты, установленные на земной поверхности на значительных расстояниях друг от друга. Гравитационное излучение могло бы приходить от звёзд, испытывающих гравитационный коллапс. Если в течение обычной жизни звезда вращалась, то, сжимаясь и становясь всё меньше и меньше, она будет вращаться всё быстрее, сохраняя свой момент количества движения. Наконец она может достигнуть такой стадии, когда скорость движения на её экваторе приблизится к скорости света, то есть к предельно возможной скорости. В этом случае звезда оказалась бы сильно деформированной и могла бы выбросить часть вещества. При такой деформации энергия могла бы уходить от звезды в виде гравитационных волн с частотой порядка тысячи колебаний в секунду (1000 Гц).

Гипотеза Джозефа Вебера:
Дж. Вебер установил ловушки гравитационных волн (рис.2) в Аргоннской национальной лаборатории вблизи Чикаго и в Мэрилендском университете. Они состояли из массивных алюминиевых цилиндров, которые должны были колебаться, когда гравитационные волны достигнут Земли. Используемые Вебером детекторы гравитационного излучения реагируют на высокие (1660 Гц), так и на очень низкие (1 колебание в час) частоты. Для детектирования последней частоты используется чувствительный гравиметр, а детектором является сама Земля. Собственная частота квадрупольных колебаний Земли равна одному колебанию за 54 мин.
Рис.2. Ловушки гравитационных волн

Все эти устройства должны были срабатывать одновременно в момент, когда гравитационные волны достигнут Земли. Действительно они срабатывали одновременно. Но к сожалению, ловушки включались слишком часто - примерно раз в месяц, что выглядело весьма странно. Некоторые учёные считают, что хотя опыты Вебера и полученные им результаты интересны, но они недостаточно надёжны. По этой причине многие относятся весьма скептически к идее детектирования гравитационных волн

Гипотеза кротовой норы.
В 1935 году физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен, используя общую теорию относительности, предположили, что во вселенной существуют специальные "Мосты" через пространство - время. Эти пути, которые назвали мостами Эйнштейна - Розена или кротовыми норами (рис.3), соединяют две совершенно разные точки в пространстве-времени путем теоретического создания искривления пространства, которое сокращает путешествие из одной точки в другую.
Рис.3. Мост Эйнштейна-Розена

В центре кротовой норы находится «горлышко», которое соединяется с пространством-временем другой вселенной или другой точкой в нашей Вселенной. Хотя путешествие сквозь стационарную кротовую нору имело бы фатальные последствия, вращающиеся кротовые норы обладают кольцеобразной сингулярностью, которая позволила бы пройти сквозь кольцо и мост Эйнштейна-Розена.
Есть два предположения о кротовых норах, одно из них гласит, что сингулярность черной дыры может прорезать пространство-время и появиться в любой другой точке пространства-времени. Это предположение имеет место быть, так как считается, что любая материя, а материя это ничто иное, как информация, уничтожается за пределами горизонта событий, но по принципам квантовой теории информация не может создаваться или уничтожаться. Это означает, что материя куда-то девается, либо выходит в другой точке пространства, либо остается в черной дыре, прибавляя ей массу.

Гипотеза “космической цензуры”
В работе Стивена Хокинга и Роджера Пенроуза было показано, что, согласно общей теории относительности, в черной дыре должна быть сингулярность, в которой плотность и кривизна пространства-времени бесконечны. В этой сингулярной точке время остановилось бы для коллапсирующего тела, нарушались бы все законы науки. Но эта потеря не коснулась бы ни одного наблюдателя, находившегося вне черной дыры, потому что ни что не может выйти за ее пределы. Под влиянием этого удивительного фактора Пенроуз выдвинул “гипотезу космической цензуры”(рис.4), которую можно сформулировать так: “Бог не терпит голой сингулярности”.
Рис.4. Обнаженная сингулярность

Другими словами, сингулярности, возникшие в результате гравитационного коллапса, появляются только в местах вроде черных дыр, где горизонт событий надежно укрывает их от взглядов извне. Грубо говоря наблюдатель хорошо защищен от того, что происходит в сингулярности.

Теория большого взрыва.
Хокинг и многие современные ученые считаю, что сингулярность, подобная сингулярности в черной дыре, могла породить Большой взрыв, ставший началом нашей вселенной. Благодаря этому появились догадки, что наша вселенная не одна, а есть так же мульти-вселенные.
«Большой взрыв» – это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объёме Вселенной. В начальный момент Вселенная имела гигантскую плотность и температуру. На первой секунде своего существования мир имел плотность ~ 105 г/cм3 и температуру 1010 К. Современная температура ближайшей к нам звезды – Солнца в тысячу раз меньше.
Также в теории говориться о том, что в центре большинства галактик находится черная дыра. Тогда для таких галактик, включающей миллиард звёзд, гравитационный радиус оказывается равным расстоянию от Солнца до орбиты планеты Уран, то есть составляет около 3 млрд. км.

Существования черных дыр.
Все вышеперечисленные гипотезы о черных дырах были построены на расчетах, но явного доказательства существования черных дыр приведено не было.
Однако, в 1967 году Джослин Белл обнаружил на небе объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. Этими объектами оказались вращающиеся нейтронные звезды, которые излучают импульсы радиоволн – Пульса́р (рис. 5),(рис.6) . Сфера в центре изображения — нейтронная звезда, кривые линии обозначают линии магнитного поля пульсара, голубые конусы — потоки излучения пульсара.
Рис.5 Схематическое изображение пульсара

Рис.6 Изображение Крабовидной туманности В центре туманности — пульсар

Это было первое подтверждение тому, что существуют нейтронные звезды. Радиус нейтронной звезды равен примерно 15 километрам, т.е. всего в несколько раз больше критического радиуса. Если звезда может сколлапсировать до таких небольших размеров, то вполне допустимо предположить, что другие звезды в результате коллапса станут еще меньше и образуют черные дыры.
Позже была обнаружена система Лебедь X-1 (рис.7), в которой видимая звезда вращается вокруг своего невидимого партнера. Разумеется мы не можем сразу заключить что партнер – черная дыра, это может быть очень тусклая звезда, но эта система так же является мощным источником рентгеновского излучения. Это явление указывает на то, что партнером может быть только либо нейтронная звезда, либо белый карлик, либо черная дыра. Результаты наблюдения орбиты видимой звезды позволяет вычислить, какую наименьшую массу может иметь невидимый объект. В случае Лебедя Х-1 эта масса слишком велика и для белого карлика и для нейтронной звезды, что указывает на то, что там находиться черная дыра.
Рис.7 Лебедь Х-1

Буквально на днях, а именно 10 апреля 2019 года, ученые впервые получили первые снимки черной дыры находящейся в центре галактики M87(рис 8). На нем изображена тень черной дыры и световые кольца, получающиеся из-за действия гравитации на световые лучи.
Рис.8 Снимок черной дыры.

Известные черные дыры
Сейчас мы знаем достаточно много черных дыр, в основном они расположены в центрах галактик. Это сверхмассивные черные дыры. Самая ближайшая находится в центре нашей галактики. Она никакой угрозы нам не представляет, и никак не влияет на нашу планету. Ближайшей из известных черных дыр является V616 Monocerotis. Кодовое название этой двойной звездной системы, находится черная дыра V616 в созвездии Единорога, известная также как V616 Mon. Находится она в 3000 световых годах от нас и обладает 9-13 массами Солнца.
Ученые увидели эту звезду из-за видимого партнера-звезды. Дыра вампир питается веществом своей звездной соседки. Время от времени это приводит к мощным выбросам энергии и ярким вспышкам. Последний раз такой выплеск энергии был зарегистрирован в 1975 году советской орбитальной станцией «Салют-4».
Ученые считают, что черные дыры значительно ближе, чем мы думаем. Но обнаружить их можно только в том случае, если они поглощают близлежащие к ним объекты, выдавая тем самым свое присутствие. Из-за этого многие из них остаются невидимыми.
Но есть шанс того, что где-то поблизости скрывается черная дыра, не взаимодействующая ни с какими звездами, и она может предоставлять угрозу нашему существованию, но этот шанс очень мал.
В настоящее время мы можем оценить количество черных дыр, опираясь на количество сверхновых. По оценкам исследователей, за последние миллионы лет на Млечном Пути произошло около 20 тысяч взрывов звезд. Если в отношении количества звездных взрывов за последние 12 миллиардов лет не произошло никаких ощутимых изменений, в Млечном Пути должны скрываться десятки миллионов черных дыр.
Недалеко от нас в скоплении Девы находится гигантская галактика Messier 87 — она примерно в 200 раз больше нашей. Так вот, из центра этой галактики вырывается поток материи длиной около 5000 световых лет (рис.9). Это сумасшедшая аномалия, пишет Этан Сигел, но выглядит очень красиво.
Учёные считают, что объяснением такого «извержения» из центра галактики может быть только чёрная дыра. Расчёт показывает, что масса этой чёрной дыры где-то в 1500 раз больше, чем масса чёрной дыры в Млечном пути, то есть примерно 6,6 млрд масс Солнца.
Рис.9. гигантская галактика Messier 87

Самая массивная из известных нам — галактика IC 1101 в центре скопления Abell 2029 (рнис.11), который находится от Млечного пути в 20 раз дальше, чем скопление Девы.
В IC 1101 расстояние от центра до самого дальнего края — около 2 млн световых лет. Её размер вдвое больше, чем расстояние от Млечного пути до ближайшей к нам галактики Андромеды. Масса почти равняется массе всего скопления Девы! Если в центре IC 1101 есть чёрная дыра (а она должна там быть), то она может быть самой массивной в известной нам Вселенной. Этан Сигел говорит, что может и ошибиться. Причина — в уникальной галактике NGC 1277. Это не слишком большая галактика, чуть меньше нашей. Но анализ её вращения показал невероятный результат: чёрная дыра в центре составляет 17 млрд солнечных масс, а это аж 17% общей массы галактики. Это рекорд по соотношению массы чёрной дыры к массе галактики.
Рис.11 . Abell 2029

Млечный Путь занимает 100 тысяч световых лет в длину и 1 тысячу световых лет в ширину. Это приблизительно 7,86 триллионов кубических световых лет. Если мы предположим, что в нашей галактике всего 1 миллион черных дыр, это означает, что на каждые 125 световых лет приходится по одной акуле вселенной. Очевидно, что это очень грубое допущение. К тому же черные дыры далеко не так равномерно распределены в пространстве.
Тем не менее есть огромное количество до сих пор не открытых черных звезд. Они не будут найдены за одну ночь, но все же новые удивительные наблюдения, бесспорно, дадут нам возможность узнать множество интересных фактов, связанных с черными дырами.
Сейчас у человека нет таких технологий, что бы увидеть черную дыру, есть только математические расчеты и выводы, сделанные на основе изучения видимых космических объектов.

Заключение
В безднах Вселенной так много всего нового и неизвестного, что будет изучаться, ещё долгое время.
Есть уверенность, что с усовершенствованием техники мы сможем когда-нибудь узнать, опровергнуть или доказать сегодняшние предположения и гипотезы, которые люди высказывали сотни лет назад. По какому пути следует Вселенная, но, быть может, много раньше, изучая информацию, которая просачивается при рождении чёрных дыр, и те физические законы, которые управляют их судь¬бой, мы сможем предсказать окончательную судьбу Вселен¬ной.
Изучив разную литературу про черные дырах, узнав много гипотез , прочитав книгу английского ученого-физика Стивен Хокинга : «Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр», Хотел бы сказать, что я придерживаюсь теории большого взрыва, что в центре вселенной находиться черная дыра, и есть мульти-вселенные, а что касается черных дыр образованных из звезд, то я придерживаюсь гипотезы “космической цензуры”. Если мне выпадет шанс попасть за горизонт событий, то не смотря на угрозу смерти, я рискну переступить за него, узнать что скрывает оболочка черной дыры.

Скачать эту работу

Скачать эту презентацию

Рекомендуем посмотреть:

Разработка внеклассного мероприятия по физике, 8 класс План-конспект урока физики. Решение задач. (8 класс. Электростатика) План-конспект урока по физике в 8 классе по теме: Конвекция Исследовательская работа по физике с презентацией, 8 класс

Похожие статьи:

Конспект урока по физике в 8 классе по теме «Работа и мощность электрического тока»