Учебный проект Всегда на связи/третья лекция физика

Версия 14:27, 30 июля 2014

Вступление

Наша с вами Вселенная не так проста, как кажется на первый взгляд. Оказывается, она полна такими интересными объектами, как нейтронными звездами или черными дырами. Сейчас они представляют для науки особый интерес, потому что ни их массу, ни свойств определить с достаточно хорошей точностью обычными методами астрономии (как я уже писал, человеческое любопытство всегда берет верх). Всвязи с этим, поговорим немного об этих загадочных объектах.

Нейтронные звезды

На мой взгляд, один из самых красивых объектов во Вселенной. Особенно красив процесс ее образования. Науке известно, что нейтронная звезда - один из продуктов эволюции массивной звезды. Поэтому расскажу немного об эволюции звезды. Вообще, любая звезда - это шар из сильно раскаленной плазмы (преимущественно, из гелия и водорода), в недрах которого непрерывно происходят реакции термоядерного синтеза с выделением огромного количества энергии в виде света и тепла. Так вот. Почему молодые звезды так устойчивы? В основном, из-за равенства силы притяжения, действующей на каждый объем вещества звезды и силы светового давления, действующей изнутри. Когда запас водорода - топлива звезды - заканчивается, термоядерный синтез в звезде прекращается, и больше ничто не мешает дальнейшему гравитационному сжатию звезды, и звезда резко коллапсирует (то есть, сжимается с колоссальной скоростью). Но это сжатие не продолжается слишком долго - на определенном расстоянии между частицами плазмы начинает проявлять себя ядерное взаимодействие - сильнейшнее взаимодействие в природе. И, если смотреть на этот процесс со стороны, можно наблюдать грандиознейшее явление - яркая звезда вдруг начинает резко сжиматься, и, достигнув соответствующего размера, взрывается (здесь ядра тяжелых металлов, оставшихся в звезде, ударяются друг о друга, отбрасывая весь легкий гелий вокруг на многие миллионы километров назад). Тут же, вновь начинает проявляться гравитация и внутри сверхновой создаются огромные давления и температуры, под действием которых снова начинаются ядерные реакции, в ходе которых легкие элементы начинают взаимные превращения и состав сверхновой быстро перетекает из элементов начала таблицы Менделеева в тяжелые элементы вплоть до железа. В этих ядерных реакциях не выделяется столько света и тепла, более того, побочным продуктом таких реакций является нейтрино - элементарная частичка, которая не взаимодействует ни с чем, летит на световой скорости, зато уносит с собой квант энергии (этакий элементарный воришка). Таким образом, из сверхновой быстро утекает энергия, она охлаждается, и, как следствие, сжимается. Рано или поздно звезда сожмется настолько, что гравитация будет действовать на тяжелые ядра ее составляющих разрушительным образом: электроны вотрутся в протоны, тем самым объединяясь и образуя нейтроны. Выходит, тяжелая сверхновая радиусом порядка 20 км полностью состоит из нейтронов. Это и называется нейтронной звездой. А теперь представьте, что огромный шар из плазмы радиусом в миллиарды километров сжали в 50 миллионов раз. Тогда скорость вращения увеличивается соответственно. Таким образом, звезда, имеющая период обращения в один месяц будет совершать 20 оборотов в секунду.

Магнетар

Иногда нейтронная звезда может включать в себя оболочку из электронов или тяжелых ядер. Быстро вращаясь, она создает гигантское магнитное поле в сотни миллиардов Тесла (для сравнения, магнитное поле Земли измеряется в миллиТесла). Такая звезда с колоссальным магнитным полем называется магнетаром.

Эжектор (радиопульсар)

Может произойти и еще более интересное явление: если нейтронная звезда имеет достаточно сильное магнитное поле и не очень большой период вращения, поле захватывает электроны с поверхности и уносит их вдоль своих магнитных линий. В этом случае, магнитное поле вращается твердотельно с звездой (т.е., как спицы, торчащие из колеса). Но на определенном расстоянии от звезды, называемом радиусом светового цилиндра, линейная скорость вращения поля достигает скорости света и на этом моменте магнитное поле умирает, а линии напряженности обрываются - на скоростях, больших скорости света, материя существовать не может, и электроны, соответственно, улетают на бесконечность прочь от эжектора - так называется такой объект. Если они попадают на датчики Земли, регистрируется невероятно стабильная серия сигналов в радиоволновом диапазоне. Именно всвязи с этим, такой тип звезд и получил свое второе название - радиопульсар.

Пропеллер

Нейтронная звезда может быть схожа с эжектором по принципу действия, но вращается недостаточно быстро для эжекции электронов, тогда такой объект является пропеллером. Пропеллеры как бы распыляют электроны вокруг себя, но зарегистрировать четкие импульсы невозможно.

Георотатор

Наоборот, если скорость вращения звезды достаточно низка, что вещество начинает падать на поверхность звезды (происходит аккреция), кроме, возможно, сильного магнитного поля. Магнитное поле Земли работает так же (поэтому, в общем-то и возможна жизнь без боязни облучиться солнечной радиацией), всвязи с этим, такой тип нейтронных звезд и получил свое название.

Аккретор

Может получиться и так, что скорость вращения и магнитное поле настолько малы, что ничего больше не мешает аккреции, и только вблизи поверхности заряженные частицы подхватываются магнитным полем и уносятся к полюсам. Там они ударяются о поверхность звезды и светятся в рентгеновском диапазоне, всвязи с этим, такой тип нейтронных звезд назвали аккреторами.

Блицар

Существуют также так называемые блицары. Это сверхмассивные нейтронные звезды, превышающие по плотности предел Оппергеймера-Волкова. От гравитационного коллапса в черную дыру их спасает только колоссальная скорость вращения.

Таким образом, нейтронные звезды - пусть и не такие редкие, но очень интересные объекты во Вселенной.

Необходимые нам положения ОТО

В рамках современной физики имеется ряд, на первый взгляд, слегка абсурдных утверждений, таких, как искривление пространства-времени под воздействием массы, или неверность гравитационного закона Ньютона. Вообще, современной математической моделью, описывающей гравитацию, является так называемая общая теория относительности - на мой взгляд, самый сложный раздел современной физики. Дело в том, что в рамках ОТО постулируется наличие некоторого четырехмерного пространства, локальная кривизна которого зависит от распределения массы в окрестности интересующей нас точки. Только представить себе такое многомерное пространство очень сложно, не говоря уже о выписывании уравнений (да, они выписаны:

;

). Более того, с самого начала эта теория имела здоровую брешь в своей неприступности - создатель этой модели, великий А7льберт Эйнштейн полностью геометризовал физику, то есть, физические явления были полностью сведены к геометрии пространства. Разумеется, эту брешь надо было чем-то закрывать, поставить заплатку в виде некоей аксиомы, и эта заплатка поставлена. Пока она достаточно удачно справляется со своей задачей, но цельность теории, я считаю, все равно хромает (не в ущерб красоте). Заплатка представляет собой ни что иное, как нашумевшую темную материю (альтернативный вариант - темная энергия). Дело в том, что по результатам наблюдений, Вселенная не просто расширяется - она расширяется с ускорением. Этого пока никто толком объяснить не может. Вот и приходится вводить какую-нибудь темную энергию (для интересующихся: темная энергия представляет собой ненулевую плотность энергии вакуума. Можете себе представить совершенное ничего, способное совершать работу?). Короче, общая теория относительности пока далека от своего логического завершения, но такие вещи, как черные дыры, которые только десять лет назад казались плодом чьей-то фантазии, сегодня не просто математически предсказаны, но и найдены эксприментально.

Черная дыра

Чтобы объяснить толком, что она из себя представляет, будем отталкиваться от постулатов ОТО. Говоря максимально просто, черная дыра - это область пространства, попав в которую, не выбраться уже никак. Грубо говоря, это маленький, но очень массивный шарик, гравитация которого настолько сильна, что вылететь оттуда не может даже свет (на то дыра и черная). Стоит привести какие-нибудь количественные аналогии: например, чтобы превратить Солнце в черную дыру, ее нужно сжать до размеров булавочной головки. Если говорить более формально, черная дыра - это область в пространстве-времени, которую нельзя пересечь, двигаясь как свет. Для черных дыр вводится понятие характерного радиуса (радиуса Шварцшильда) - радиуса области, для вылета из которой необходимо развить скорость, равную или большую скорости света (строго: геодезические линии в этой области обрываются). Его может сосчитать любой школьник, учивший законы сохранения. Математическое выражение для него имеет следующий вид: .

Теории возникновения и эволюции черных дыр

Как появляются черные дыры, никто не видел, но существует несколько альтернативных версий их эволюции: так, например, самой распространенной версией является следующее утверждение: черная дыра есть конечный продукт эволюции очень тяжелой звезды - в процессе коллапса гравитация одолевает силы инерции и прочие препятствующие ей взаимодействия и сжимает звезду до характерного размера, меньшего радиуса Оппергеймера-Волкова, вследствие чего, звезда резко коллапсирует в черную дыру. Также, существует версия, что все черные дыры в видимой Вселенной образовались в первые мгновения ее эволюции, короче, почти сразу после Большого Взрыва.

Сверхмассивные черные дыры

Случайные рассчеты и исследования показали, что черных дыр в видимой части Вселенной гораздо больше, чем мы можем себе представить. Подсчитывалось количество звезд в нашей галактике, средняя масса, средняя угловая скорость, удаленность; на основе этого всего делался вывод о массе центра галактики. Оказалось, что если бы масса была такой, какой ее видно в телескоп, наша галактика давно бы уже разлетелась в разные стороны. Затем ученые присмотрелись к центру Млечного Пути в радиотелескоп и поняли, что в самом ее центре есть нечто, имеющее невероятно колоссальную массу, такую, которая смогла бы своей гравитацией удержать миллиарды звезд в галактике. Это нечто было огромным, но не светилось, а только излучало в рентгеновском диапазоне. Так были открыты сверхмассивные черные дыры. Был сделан вывод о том, что в центре достаточно крупных галактик и звездных скопление всегда есть сверхмассивная черная дыра. Оценки показывают, что массы таких объектов варьируются от десятков миллиардов до триллионов солнечных масс. Правда, возможные пути их возникновения так же мало изучены (основная версия: черная дыра наматывала на себя вещество, пожирая соседние звезды, постепенно накапливая массу).

Излучение Хокинга

Совсем недавно Стивеном Хокингом было сделано предсказание о том, что черные дыры могут излучать. Оказывается, в совокупности всех условий, возникающих там, около границы Шварцшильда могут образовываться пары частица-античастица; одна из них падает в черную дыру, другая вылетает из нее, забирая с собой немного энергии. Таким образом, черная дыра потихонечку испаряется. Это явление получило название "излучение Хокинга".

Квазар

В зависимости от расположения и условий, в которых существует сверхмассивная черная дыра, она может поглощать многие и многие звезды вокруг, становясь все массивнее, и, соответственно, все опаснее. Если этот процесс заходит достаточно далеко, черная дыра становится смертоноснейшим объектом во Вселенной - квазаром.

Квазар (квазизвездный радиоисточник; по сути - активное ядро крупной галактики) из-за недюжинной массивности способен погзлощать целиком звездные системы и даже галактики. Соответственно, яркость такого объекта просто зашкаливает: он светит ярче сотен галактик и излучение в радио-диапазоне соответствующее. Опознать такого монстра можно по нереально сильному красному смещению.

Источники

• Алексей Бычков