Номер 9, страница 50, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Строение и эволюция вселенной. Глава VIII. Звёзды и галактики. Параграф 29. Звёзды - номер 9, страница 50.

Условие.

9. Расскажите об образовании чёрной дыры. Почему чёрная дыра не излучает свет?

Решение.

Образование чёрной дыры

Чёрные дыры звёздной массы образуются в результате гравитационного коллапса очень массивных звёзд на конечном этапе их эволюции. Жизненный цикл звезды представляет собой баланс двух сил: силы гравитации, стремящейся сжать звезду, и силы давления горячего газа и излучения, возникающего в результате термоядерных реакций в ядре звезды, которая противодействует сжатию.

Когда у массивной звезды (с массой, более чем в 20-25 раз превышающей массу Солнца) заканчивается ядерное топливо, термоядерные реакции в её ядре прекращаются. Внешнее давление, поддерживающее звезду, исчезает, и под действием собственной гравитации ядро звезды начинает катастрофически быстро сжиматься. Этот процесс называется гравитационным коллапсом. Внешние слои звезды при этом взрываются, образуя сверхновую, и разлетаются в космос.

Если масса оставшегося после взрыва сверхновой ядра превышает определённый предел (предел Оппенгеймера — Волкова, примерно 2-3 массы Солнца), то никакие известные силы не могут остановить его дальнейшее сжатие. Гравитация становится настолько сильной, что сжимает ядро в точку с бесконечной плотностью и нулевым объёмом, которая называется сингулярностью. Вокруг сингулярности образуется область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не может ничто, даже свет. Эта область и есть чёрная дыра.

Ответ: Чёрная дыра образуется в результате гравитационного коллапса ядра очень массивной звезды после того, как у неё заканчивается ядерное топливо. Гравитация сжимает ядро в бесконечно плотную точку (сингулярность), создавая область с чрезвычайно сильным гравитационным полем.

Почему чёрная дыра не излучает свет?

Чёрная дыра не излучает и не отражает свет из-за своего невероятно мощного гравитационного поля. Чтобы покинуть поверхность любого массивного объекта, тело должно развить определённую скорость, называемую второй космической скоростью или скоростью убегания. Эта скорость $v_{e}$ зависит от массы объекта $\text{M}$ и его радиуса $\text{R}$ и определяется формулой: $v_{e} = \sqrt{\frac{2GM}{R}}$, где $\text{G}$ — гравитационная постоянная.

У чёрной дыры масса сконцентрирована в чрезвычайно малом объёме. Из-за этого на определённом расстоянии от центра чёрной дыры, называемом горизонтом событий, скорость убегания становится равной скорости света ($c \approx 300 000$ км/с). Внутри горизонта событий скорость убегания превышает скорость света.

Согласно специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, ничто во Вселенной не может двигаться быстрее скорости света. Поскольку даже свет, состоящий из фотонов, не может развить скорость, превышающую $\text{c}$, он не может покинуть область внутри горизонта событий. Любой свет, попавший за горизонт событий или испущенный внутри него, навсегда остаётся в ловушке гравитационного поля чёрной дыры. Именно потому, что свет не может вырваться из неё, чёрная дыра кажется нам абсолютно чёрной.

Ответ: Чёрная дыра не излучает свет, потому что её гравитационное поле настолько сильное, что вторая космическая скорость на её границе (горизонте событий) превышает скорость света. Так как ничто, включая свет, не может двигаться быстрее скорости света, свет не может покинуть чёрную дыру.