Проектно – исследовательская работа «Чёрные дыры — загадка Вселенной»

ТОГПАОУ «Промышленно-технологический колледж»

Проектно – исследовательская работа

«Чёрные дыры — загадка Вселенной»

Выполнили

Обучающиеся 2 курса

Полянская Татьяна

Голова Анастасия

Добрынина Екатерина

Руководитель:

Лукашина Ирина Вячеславовна

Мичуринск-2022

Содержание:

Введение………………………………………………………………..…………….3

Глава 1.Теоретическая часть………………………………….………….………… 6

1.1. Понятие «черной дыры», история исследования …….……….…..…6

1. Как образуются черные дыры в космосе………………..……………7

2. Разновидности чёрных дыр……………………………………………9

3. Свойства чёрных дыр…………………………………………………11

4. Обнаружение чёрной дыры………………………………..…………12

Глава 2.Практическая часть………………………………………………………..13

Заключение……………………………………………………….…………………15

Список литературы и источников………………………………………………....16

Введение:

Астрономия — для меня новый предмет из школьной программы, изучаю её первый год. Меня очень заинтересовал этот предмет, и я начала изучать всё, что связано с космосом, ведь во Вселенной немало загадочных и недостаточно изученных объектов. Так, на просторах интернета я узнала о существовании «Чёрных дыр», эта тема очень заинтересовала меня и я решила узнать, что же такое «Чёрная дыра», её свойства и как она образуется.

Большинство людей смутно или неправильно представляют себе, что такое «чёрные дыры». Это глобальные и мощные объекты Вселенной, по сравнению с которыми наша Планета и вся наша жизнь - ничто. [4]

Тема черных дыр является одной из актуальнейших тем современной астрономии, астрофизики и космологии, так как эти объекты помогают лучше понять устройство нашей Вселенной, с момента большого взрыва по настоящий день, а также позволят понять, что будет с нашей Вселенной.

Также я провела опрос среди своих одноклассников, и выяснила что большинство не знают что такое «Чёрные дыры», но им было бы интересно узнать это.

Было опрошено 30 человек. Я попросила ответить их на три вопроса, и узнала, что 80% учащихся 10 классов заинтересованы в таком явлении, как чёрные дыры и им интересно узнать о нём.

Иллюстрация 1: Диаграмма заинтересованности

Поэтому я решила написать исследовательскую работу на тему: «Чёрные дыры — загадка Вселенной»

Гипотеза исследования заключается в следующем:

Распространенный миф о черных дырах, который говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя, неверен. Они будут всасывать материю, которая находится на определенном расстоянии.

Цель работы состоит в том, чтобы выяснить что такое Чёрная дыра, какими свойствами она обладает, и как образуется.

Задачи:

• Отобрать и проанализировать литературу по данной теме;

• Провести опрос на выявление заинтересованности и осведомленности людей в науке (в частности, в явлении черных дыр) ;

• Найти ответ на вопрос: что такое чёрная дыра, её свойства, как образуется и её виды;

• Познакомиться с возникновением, формированием, видами черных дыр;

Объект исследования: Черные дыры как астрофизический объект и элемент научной фантастики.

Предмет исследования: эволюция и природа черных дыр.

Методы исследования:

• Анализ различных источников литературы

• Систематизация и обобщение данных

Первая глава посвящена теоретическим основам исследовательской работы. В ней говорится о том, что существуют так называемые «чёрные дыры». Приводятся определение данного явления, а также информация о нём: Как образуются, виды и свойства.

Во второй главе описывается практическая часть. Мною был проведён опрос среди одноклассников (30 человек). Я выяснила, что людям, в частности подросткам возраста 16 — 17 лет, интересно узнавать про странные и загадочные объекты в космосе, например, такие, как черные дыры. Поэтому я решила написать исследовательскую работу на тему: «Чёрные дыры — загадка Вселенной»

1.Теоретическая часть

1.1.Понятие «черной дыры», история исследования

Термин «ЧЕРНАЯ ДЫРА» появился совсем недавно, в двадцатом веке. Его придумал американский ученый Джон Уиллер.

Однако попытки объяснить это загадочное явление были сделаны давно, около 200 лет назад.

Исаак Ньютон, считал, что свет состоит из частиц. Значит, он обладает массой и на него действует гравитация.

Исходя из этого, английский астроном Джон Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность.

Великий ученый Альберт Эйнштейн теоретически доказал возможность существования черных дыр.

В 1934 году американские  физики  выдвинули гипотезу об умирание звезды. А уже в 1939 году доказали что: «Черная дыра все поглощает и ничего не выпускает!»

Где находятся черные дыры?

Самый первый вопрос, который волнует людей в проблеме чёрных дыр, это стремление узнать, где вообще находятся чёрные дыры. В действительности чёрные дыры разбросаны по всей Вселенной. Чёрная дыра может образоваться в любом месте, в том числе и рядом с Солнечной системой.

Тема черных дыр является одной из актуальнейших тем современной астрономии, астрофизики и космологии, так как эти объекты помогают лучше понять устройство нашей Вселенной, с момента большого взрыва по настоящий день, а также позволят понять, что будет с нашей Вселенной.

Чёрная дыра — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница черной дыры называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом.

Р
ис.1 — Строение чёрной дыры

Теоретически, возможность существования таких областей пространства времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна. Первое было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное». Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары», а также «застывшие звёзды».

Рис.2 — Чёрная дыра

1.2.Как образуются черные дыры в космосе.

В конце жизни звезда может начать сжиматься к центру за счет потери внутреннего давления. При этом перейдя определенную границу - радиус Шварцшильда, ее плотность станет настолько велика, что она продолжит сжатие и его уже ничего не сможет остановить. В результате получается объект с огромной массой и плотностью т. е. черная дыра. Называется "черной", т. к. вторая космическая скорость у поверхности превышает скорость света.

Черные дыры могут образовываться в результате астрофизических процессов, когда у звезд с массой, на порядок превышающей массу Солнца, кончается термоядерное топливо, и они обрушиваются внутрь себя под действием гравитационных сил. Имеется достаточно данных наблюдений, свидетельствующих о реальности существования таких черных дыр во Вселенной

Р
ис. 3 – Массивная черная дыра поглощает звезду

С астрофизической точки зрения, обнаруженные черные дыры подразделяются на две категории:

Первый тип- это черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса массивных звезд и обладающие соответствующей массой. Поскольку черные дыры кажутся нам реально черными, наблюдать их крайне сложно. Если посчастливится, мы можем увидеть лишь шлейф газа, затягиваемого в черную дыру. Разгоняясь при падении, газ разогревается и испускает характерное излучение, которое мы только и можем обнаружить. Источником газа при этом является другая звезда, образующая парную систему с черной дырой и обращающаяся вместе с ней вокруг центра масс двойной звездной системы. Иными словами, сначала мы имели обычную двойную звезду, затем одна из звезд в результате гравитационного коллапса превратилась в черную дыру. После этого черная дыра начинает засасывать газ с поверхности горячей звезды.

второй тип - это гораздо более массивные черные дыры в центрах галактик. Их масса превышает массу Солнца в миллиарды раз. Опять же, падая на такие черные дыры, вещество разогревается и испускает характерное излучение, которое со временем доходит до Земли, его-то мы и можем обнаружить. Предполагается, что все крупные галактики, включая нашу, имеют в центре свою черную дыру.

Согласно теории Эйнштейна черная дыра представляет собой бездонный провал в пространстве-времени, падение в который необратимо. Что упало, то пропало в черной дыре навеки.

Рис. 4 –Гравитационные воронки (искривление пространства-времени)

1.3.Разновидности Чёрных дыр.

Современная астрофизика рассматривает четыре типа черных дыр во Вселенной: звездные, сверхмассивные, первичные и квантовые.

Звездные черные дыры

Это черные дыры со звездными массами. Они возникают как результат жизни массивных звезд. Отметим, что черные дыры образуются только из звезд, масса которых превышает массу Солнца в 20-40 раз.

Другой вариант образования звездной черной дыры —аккреция газа. Газ «падает» на нейтронную звезду до тех пор, пока масса последней не превзойдет максимально возможной массы для нейтронных звезд. В таком случае нейтронная звезда коллапсирует в маломассивную черную дыру.

Сверхмассивные черные дыры

Предпологают, что такие черные дыры находятся в центрах галактик. Их масса может составлять до 10 в девятой степени масс Солнца. Эти выводы сделаны на основании анализа движения звезд около центров галактик.

Существует также гипотеза, согласно которой сверхмассивные черные дырынаходятся в центрах квазаров – малоизученных и самых далеких из тех космических объектов, которые можно наблюдать с Земли. Квазары представляют собой ядра галактик и в своем центре имеют черную дыру.

Квазары обладают невероятно сильной светимостью и небольшими размерами, их можно наблюдать на расстоянии в 10 млрд световых лет. Эти объекты выделяют огромную энергию во всех областях спектра электромагнитных волн, а особенно — в инфракрасной области.

Первичные или реликтовые черные дыры

Самые маленькие черные дыры, образование которых происходило на ранних стадиях развития Вселенной. Появившиеся вследствие неоднородности Большого Взрыва сгустки вещества могли сжиматься до состояния черных дыр, пока остальная часть вещества расширялась.

Черная дыра — это не всегда что-то очень большое и тяжелое. Ученые предполагают, что размер некоторых первичных черных дыр может быть значительно меньше размера протона.

Квантовые чёрные дыры

Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра.

Даже если квантовые чёрные дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным.

1.4.Свойства чёрных дыр

У черных дыр очень интересные свойства. После коллапса звезды в черную дыру ее свойства будут зависеть только от двух параметров: массы и углового момента вращения. То есть, черные дыры представляют собой универсальные объекты, то есть, их свойства не зависят от свойств вещества, из которого они образованы. При любом химическом составе вещества исходной звезды свойства черной дыры будут одними и теми же. То есть, черные дыры подчиняются только законам теории гравитации - и никаким иным.

Другое любопытное свойство черных дыр заключается в следующем: предположим, вы наблюдаете процесс, в котором участвует черная дыра. Например, можно рассмотреть процесс столкновения двух черных дыр. В результате из двух черных дыр образуется одна более массивная. Этот процесс может сопровождаться излучением гравитационных волн, и уже построены детекторы с целью их обнаружения и измерения. Процесс этот теоретически просчитать весьма непросто, для этого нужно решить сложную систему дифференциальных уравнений. Однако имеются и простые теоретические результаты. Площадь сферы Шварцшильда получившейся черной дыры всегда больше суммы площадей поверхностей двух исходных черных дыр. То есть, при слиянии черных дыр площадь их поверхности растет быстрее массы. Это так называемая «теорема площадей», она была доказана Стивеном Хокингом (StevenHawking) в 1970 году.

1.5.Обнаружение чёрной дыры

П
оскольку свет не может вырваться из массивных животных силков, он не может быть виден. Поэтому чтобы искать черные дыры, можно полагаться только на косвенные доказательства их существования. Одним из способов поиска черной дыры, являются нахождение областей в открытом космосе, которые обладают большой массой и находятся в темном пространстве. При поиске подобных типов объектов, астрономы обнаружили их в двух основных областях: в центрах галактик и в двойных звездных системах нашей Галактики.

Рис.5 – Искажение изображения галактики, проходящей перед черной дырой

На самом деле, большинство астрономов теперь считают, что супер массивная черная дыра может существовать в центре нашей галактики Млечный Путь (рис. 6). Означает ли это, что она в конечном итоге все поглотит? На самом деле, нет. Черная дыра имеет ту же массу, что и оригинальные звезды, потому как была сформирована из них. Пока ничего не предвещает слишком близкого приближения к горизонту событий, так что это безопасно. Вполне вероятно, что миллиарды звезд в нашей галактике будет продолжать орбиту вокруг этой гигантской черной дыры миллиарды лет вперед. Доказательства этой и других черных дыр может быть подтверждены с помощью функции поиска для рентгеновских лучей. Астрономы полагают, что черные дыры излучают их в большом количестве.

Р
ис.6 - Черная дыра в центре Млечного пути выдала ярчайшую вспышку.

Глава 2.Практическая часть.

Для подробного изучения аудитории и ее заинтересованности в данном явлении я решила провести опрос среди одноклассников. Я попросила 30 человек ответить на три вопроса, и получила следующие данные:

В опросе приняло участие 30 человек: среди них 10 «Б» – 17 чел., ученики 10 «А» класса – 13чел. Им было предложено ответить на следующие вопросы:

Вопрос 1: Интересуетесь ли Вы космосом (смотрите телепередачи, читаете книги или статьи)?

а) да, данная тема мне интересна;

б) нет, мне это не нравится;

в) иногда.

По результатам опроса 10 «Б» класса (17 чел.) - 12 ученикам (70 %) данная тема интересна, не интересуются космосом 2 человека из класса (12%), 3 ученика (18%) иногда интересуются темой космоса. По результатам опроса 10 «А» класса (13 чел.) - 10 ученикам (77 %) данная тема интересна, не интересуются космосом 1 человек из класса (8%), 2 ученика (15%) иногда интересуются темой космоса

Вопрос 2: Знакомо ли Вам понятие «черная дыра» ?

а) да;

б) нет.

По результатам опроса 10 «Б» класса - 11 ученикам (65 %) понятие «черная дыра» знакомо и не знакомы с указанным понятием 6 человек из класса (35%). В 10 «А» это понятие знакомо 8 (62 %) людям и не знакомо 5 (38 %).

Вопрос 3 : Хотели бы Вы узнать про самые загадочные объекты во Вселенной – черные дыры?

а) хотел;

б) не хотел.

По результатам опроса 10 «Б» и 10 «А» классов - 24 ученика (80 %) хотели бы узнать про «черные дыры» в космосе и 6 человек (20%) не интересуются данной темой

На основании проведенного исследования мною были сделаны следующие выводы:

- люди проявляют интерес к космологии, в частности им интересно было бы узнать про «черные дыры»;

• только небольшому числу десятиклассников был не знаком вышеуказанный термин;

Таким образом, мои исследования и моя научная работа дают возможность убедиться в ее актуальности. И главное, у меня не осталось сомнений, что людям , в частности подросткам возраста 16 — 17 лет, интересно узнавать про странные и загадочные объекты в космосе, например, такие, как черные дыры.

Заключение

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что черная дыра - это тот объект Вселенной, который окончательно еще не изучен. Черные дыры, несомненно, самые загадочные объекты в космосе. Их причудливые свойства могут бросить вызов законам физики Вселенной и даже природе существующей действительности. Черные дыры образуются из ядер супер массивных звезд, которые можно охарактеризовать как область пространства, где огромная масса сосредоточена в пустоте, и ничего, даже свет не может там избежать гравитационного притяжения. Эта та область пространства, где вторая космическая скорость превышает скорость света. И чем массивнее объект движения, тем быстрее он должен двигаться, чтобы избавиться от силы своей тяжести.

«Распространенный миф о черных дырах говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя» - говорилось в ведении данной работы. Но, это не так. Они будут всасывать материю, которая находится на определенном расстоянии, а в остальном они действуют не иначе, чем массивные звез

Список использованной литературы

1. Bernard J. Carr and Steven B. Giddings: Quantum Black Holes May. – Scientific American, 2005.

2. S. Hawking. Black holes and baby universes. – New York: Bantam books, 1994.

3. Азаренок, Н.В.: Клиповое сознание и его влияние на психологию человека в современном мире. – «Институт психологии РАН», 2009.

4. Наука. Величайшие теории. Ньютон, закон всемирного тяготения. – Москва: Де Агостини, 2015.

5. Наука. Величайшие теории. Эйнштейн, теория относительности. – Москва: Де Агостини, 2015.

6. http://elementy.ru

7. http://www.astronet.ru

8. http://tarefer.ru