Номер 4, страница 217, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 12. Строение и эволюция вселенной. Параграф 115. Решение задач. Темы исследовательских и проектных работ - номер 4, страница 217.

Условие.

• Чёрные дыры.

Решение.

Определение и основные свойства

Чёрная дыра — это область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, включая кванты самого света. Существование таких объектов следует из общей теории относительности Эйнштейна.

Основные компоненты невращающейся чёрной дыры:

• Сингулярность — центральная точка, в которой, согласно теории, сосредоточена вся масса чёрной дыры. В этой точке плотность и кривизна пространства-времени становятся бесконечными.
• Горизонт событий — граница вокруг сингулярности, из-за которой невозможно никакое воздействие вовне. Это точка невозврата: всё, что пересекает горизонт событий (включая свет), обречено упасть в сингулярность.

Радиус горизонта событий для самой простой, невращающейся и незаряженной чёрной дыры называется радиусом Шварцшильда ($R_s$) и вычисляется по формуле:

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

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

Ответ: Чёрная дыра — это объект с экстремальной гравитацией, имеющий границу, называемую горизонтом событий, из-за которой ничто не может вырваться наружу. В её центре находится сингулярность — точка с бесконечной плотностью.

Формирование чёрных дыр

Чёрные дыры могут образовываться несколькими способами, в зависимости от их массы.

• Чёрные дыры звёздной массы. Они образуются в результате гравитационного коллапса очень массивных звёзд (с массой более 20–25 масс Солнца) в конце их жизненного цикла. Когда у такой звезды заканчивается ядерное топливо, внешние слои взрываются как сверхновая, а ядро под действием собственной гравитации сжимается в чрезвычайно плотный объект. Если масса ядра превышает определённый предел (предел Оппенгеймера — Волкова), то коллапс становится неудержимым и образуется чёрная дыра.
• Сверхмассивные чёрные дыры. Эти гиганты с массами от миллионов до миллиардов масс Солнца находятся в центрах большинства крупных галактик, включая наш Млечный Путь (объект Стрелец А*). Точный механизм их формирования до конца не ясен. Возможные гипотезы включают слияние множества чёрных дыр звёздной массы и других компактных объектов или прямой коллапс гигантских газовых облаков на ранних этапах существования Вселенной.

Ответ: Чёрные дыры звёздной массы рождаются из остатков массивных звёзд после взрыва сверхновой, а сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик, вероятно, выросли за счёт слияния меньших чёрных дыр и поглощения огромного количества материи.

Типы чёрных дыр

Чёрные дыры классифицируют в основном по их массе:

• Чёрные дыры звёздной массы: от 3 до нескольких десятков масс Солнца.
• Чёрные дыры средней массы: гипотетический класс с массами от сотен до сотен тысяч масс Солнца. Их существование пока не подтверждено окончательно, но есть несколько кандидатов.
• Сверхмассивные чёрные дыры: от миллионов до десятков миллиардов масс Солнца.
• Первичные чёрные дыры: ещё один гипотетический тип, который мог образоваться в первые мгновения после Большого взрыва из-за флуктуаций плотности. Их масса могла быть любой, вплоть до очень малой.

Ответ: Существуют подтверждённые чёрные дыры звёздной и сверхмассивной массы, а также гипотетические чёрные дыры средней массы и первичные чёрные дыры.

Наблюдение и обнаружение

Поскольку чёрные дыры не излучают свет, их невозможно увидеть напрямую. Их обнаруживают по косвенным признакам — по воздействию их мощной гравитации на окружающее пространство и вещество.

• Движение звёзд и газа: Астрономы могут наблюдать за звёздами, которые вращаются вокруг невидимого центра масс с огромной скоростью. Так была подтверждена сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей галактики.
• Аккреционные диски: Когда вещество (газ, пыль, остатки звёзд) притягивается к чёрной дыре, оно закручивается в спираль, образуя так называемый аккреционный диск. Из-за трения вещество в диске раскаляется до миллионов градусов и ярко светится в рентгеновском диапазоне, что можно зафиксировать телескопами.
• Джеты: Некоторые аккрецирующие чёрные дыры выбрасывают из своих полярных областей узкие пучки частиц, движущихся с околосветовой скоростью, — релятивистские струи или джеты.
• Гравитационное линзирование: Массивное тело, такое как чёрная дыра, искривляет лучи света от более далёких объектов, проходящие рядом с ним. Это явление позволяет обнаружить присутствие массивного невидимого объекта.
• Гравитационные волны: Слияние двух чёрных дыр или чёрной дыры с нейтронной звездой порождает мощные гравитационные волны — рябь пространства-времени, которую регистрируют специальные обсерватории, такие как LIGO и Virgo.

Ответ: Чёрные дыры обнаруживают по гравитационному влиянию на соседние звёзды, по излучению от аккреционных дисков, по джетам, а также регистрируя гравитационные волны от их слияний.