Номер 3, страница 285 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 8. Строение и эволюция Вселенной. Параграф 68. Физическая природа Солнца и звёзд. Темы докладов - номер 3, страница 285.

Условие.

3. Чёрные дыры.

Решение.

Что такое чёрная дыра?

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. Граница этой области называется горизонтом событий. Теория относительности Эйнштейна предсказывает, что достаточно компактная масса может деформировать пространство-время, чтобы сформировать чёрную дыру.

Как образуются чёрные дыры?

Чёрные дыры могут иметь разное происхождение и массу:

1. 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, её ядро коллапсирует под действием собственной гравитации, что часто сопровождается взрывом сверхновой.

2. Сверхмассивные чёрные дыры. Их масса составляет от миллионов до миллиардов масс Солнца. Считается, что они находятся в центрах большинства крупных галактик, включая наш Млечный Путь (объект Стрелец A*). Механизм их формирования до конца не изучен, но предположительно он связан со слиянием множества меньших чёрных дыр и поглощением большого количества газа и звёзд.

3. Чёрные дыры промежуточной массы. Их масса составляет от сотен до тысяч масс Солнца. Это наименее изученный тип, и их существование всё ещё является предметом активных исследований.

Строение чёрной дыры

Основные компоненты чёрной дыры:

• Сингулярность. Это центральная точка чёрной дыры, в которой, согласно классической теории гравитации, плотность материи и кривизна пространства-времени становятся бесконечными. В этой точке законы известной нам физики перестают работать.

• Горизонт событий. Это не физическая поверхность, а условная граница вокруг сингулярности. Для того чтобы покинуть область внутри горизонта событий, необходимо развить скорость, превышающую скорость света, что невозможно. Поэтому ничто, включая свет, не может вырваться из-за горизонта событий. Радиус этой сферы для невращающейся чёрной дыры называется радиусом Шварцшильда и вычисляется по формуле: $R_s = \frac{2GM}{c^2}$, где $\text{G}$ — гравитационная постоянная, $\text{M}$ — масса объекта, а $\text{c}$ — скорость света.

• Аккреционный диск. Это диск из газа, пыли и остатков звёзд, который вращается вокруг чёрной дыры. Вещество в диске постепенно падает на чёрную дыру по спирали. Из-за трения между частицами диск разогревается до миллионов градусов и ярко светится в рентгеновском и других диапазонах электромагнитного спектра. Именно по этому излучению астрономы часто и обнаруживают чёрные дыры.

• Релятивистские джеты. У некоторых активных чёрных дыр наблюдаются мощные потоки частиц (джеты), выбрасываемые из полярных областей аккреционного диска со скоростью, близкой к скорости света.

Как обнаруживают чёрные дыры?

Поскольку чёрные дыры не излучают свет, их можно обнаружить только по косвенным признакам:

1. Гравитационное влияние. Наблюдая за движением звёзд или облаков газа, можно заметить, что они вращаются вокруг невидимого массивного объекта. Так была подтверждена сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей галактики.

2. Излучение от аккреции. Яркое рентгеновское излучение от разогретого аккреционного диска является надёжным свидетельством присутствия чёрной дыры.

3. Гравитационное линзирование. Массивное тело, такое как чёрная дыра, искривляет лучи света от более далёких объектов, проходящие рядом с ним. Это явление позволяет "увидеть" чёрную дыру по искажению изображений фоновых галактик или звёзд.

4. Гравитационные волны. Слияние двух чёрных дыр или чёрной дыры с нейтронной звездой вызывает колебания (рябь) в ткани пространства-времени, которые распространяются в виде гравитационных волн. Их регистрация с помощью таких обсерваторий, как LIGO и Virgo, стала новым мощным инструментом для изучения этих объектов.

Ответ: Чёрная дыра — это область пространства-времени с чрезвычайно сильным гравитационным полем, из которой не может вырваться даже свет. Они образуются в результате коллапса массивных звёзд или других процессов, приводящих к концентрации большой массы в малом объёме. Чёрные дыры невидимы, но их обнаруживают по гравитационному воздействию на соседние объекты, по излучению от падающего на них вещества (аккреционных дисков) и по гравитационным волнам, возникающим при их слиянии.