Номер 5, страница 200 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

5. При каком условии образуется «черная дыра»? Что она представляет собой?

При каком условии образуется «черная дыра»?

Черная дыра образуется в результате гравитационного коллапса чрезвычайно массивного объекта. Основным условием является сжатие массы этого объекта до радиуса, который меньше или равен его гравитационному радиусу (также известному как радиус Шварцшильда). Когда это происходит, вторая космическая скорость (скорость убегания) на поверхности объекта превышает скорость света, и в результате ничто, включая кванты света, не может покинуть его гравитационное поле.

Наиболее изученный сценарий образования черной дыры — это финальная стадия эволюции очень массивной звезды. Звезда на протяжении своей жизни поддерживает равновесие за счет давления, создаваемого термоядерными реакциями в ее ядре, которое противодействует силе гравитации. Когда ядерное топливо у звезды с начальной массой более 20-25 масс Солнца иссякает, это давление исчезает. Под действием собственной гигантской силы тяжести ядро звезды катастрофически сжимается (коллапсирует). Если масса этого ядра превышает предел Оппенгеймера — Волкова (примерно 2-3 массы Солнца), то никакие известные науке силы не способны остановить этот процесс. Ядро продолжает сжиматься, пока не превратится в гравитационную сингулярность, образуя черную дыру.

Радиус Шварцшильда ($R_s$) для объекта массой $\text{M}$ определяется формулой:

$R_s = \frac{2GM}{c^2}$

где $\text{G}$ — гравитационная постоянная, $\text{M}$ — масса объекта, а $\text{c}$ — скорость света в вакууме.

Ответ: Черная дыра образуется, когда вещество сжимается до такой высокой плотности, что его радиус становится меньше критического значения — гравитационного радиуса (радиуса Шварцшильда). Это приводит к тому, что скорость убегания с его поверхности превышает скорость света.

Что она представляет собой?

Черная дыра — это область пространства-времени, обладающая настолько мощным гравитационным полем, что покинуть её не может ни материя, ни излучение, включая свет. Вопреки названию, она не является «дырой» в обычном смысле, а представляет собой чрезвычайно массивный и плотный объект.

Структура простейшей черной дыры включает в себя:

1. Сингулярность. Согласно общей теории относительности, это центральная точка черной дыры, в которой сосредоточена вся её масса. Предполагается, что в сингулярности плотность вещества и кривизна пространства-времени стремятся к бесконечности, а известные законы физики перестают работать. Для ее описания требуется теория квантовой гравитации, которая пока не создана.
2. Горизонт событий. Это не физическая поверхность, а условная граница вокруг сингулярности, своего рода «точка невозврата». Любой объект или свет, пересекший горизонт событий, уже неминуемо упадет в сингулярность и не сможет вернуться. Для невращающейся черной дыры радиус горизонта событий совпадает с радиусом Шварцшильда.

Снаружи черная дыра характеризуется всего тремя параметрами: массой, электрическим зарядом и моментом импульса (вращением). Этот принцип известен как теорема об «отсутствии волос». Черная дыра невидима, так как не испускает свет, но ее можно обнаружить по мощному гравитационному воздействию на соседние звезды и газ. Падающее на черную дыру вещество образует вокруг нее аккреционный диск, который разогревается до миллионов градусов и ярко светится в рентгеновском диапазоне, делая черную дыру «видимой» для телескопов.

Ответ: Черная дыра представляет собой астрофизический объект, состоящий из гравитационной сингулярности в центре и окруженный горизонтом событий — границей, из-за которой ничто не может вырваться наружу из-за экстремально сильной гравитации.