Черная дыра в центре Млечного Пути

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

 

 

Университет российской академии образования

 

 

 

 

 

Курсовая работа на тему

Проблема черных дыр во вселенной.

Черная дыра в центре Млечного Пути

 

 

Студент: Графсков Владимир Николаевич 

Специальность: Прикладная математика и информатика

Научный руководитель:  

 

Дата защиты

Оценка_____

Зав. Кафедрой.

 

 

 

 МОСКВА 2014

 

Оглавление

 

1. Основные положения      3

2. Черная дыра       3

3. Черная дыра в центре  млечного пути    4

4.  Циклы        4

5. Формирование галактики     6

6. Эффекты черной дыры  дальнего радиуса действия  8

7. Условия зарождения  жизни     9

8. Литература       12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основные положения

 

• Сверхмассивные черные дыры, обладающие массой в несколько миллионов солнечных и расположенные в центрах галактик, включая и наш Млечный Путь, — не простые пожиратели вещества, как это принято считать. Они способны как излучать огромное количество энергии, так и пожирать вещество в своем ближайшем окружении.
• Режим «кормления» черной дыры может оказывать неожиданное влияние на всю содержащую ее галактику в целом. Слишком сильная, как и слишком слабая активность черной дыры приводят к тому, что образование звезд, пригодных для формирования вблизи них систем с подходящими условиями для жизни, становится редким.
• Наша галактика Млечный Путь содержит в своем центре такую черную дыру, которая благоприятствует процессу звездообразования.
• Связь между черными дырами и возникновением жизни достаточно сложна, но черная дыра в нашей Галактике оказала очень большое влияние на возможность нашего существования.

 

2. Черная дыра

 

    Вещество падает  в черную дыру постепенно. Оно  движется с огромными скоростями, приближаясь к горизонту событий, закручиваясь спиралью в гиперскоростные  петли, если черная дыра вращается. Сгустки вещества взаимодействуют  друг с другом, создается напряжение, достаточное для огромных выбросов  кинетической энергии, преобразованной  в движение атомных и субатомных  частиц и электромагнитного излучения. Эти частицы формируются до  достижения горизонта частиц  и потому могут уходить обратно. Грубая аналогия такого процесса  — слив воды в раковине. Когда  жидкость, вращаясь, приближается к  стоку, ее кинетическая энергия  частично преобразуется в звуковые  волны, вода взаимодействует с  молекулами воздуха. Звуковые волны  движутся быстрее, чем вода, и  потому уходят от стока. В случае  черной дыры энергия, выбрасываемая  во время процесса аккреции  вещества, может производить различные  эффекты в окружающей галактике.

    Когда астрономы  говорят о том, что вещество  поглощается черной дырой, они  подразумевают некоторые эпизодические  события, «рабочий цикл», подобный  вращению белья в стиральной  машине. Черная дыра как бы  пульсирует, она то поглощает  вещество, то остается в покое. Так, черная дыра, расположенная  в центре нашей Галактики, сейчас  находится в спокойном состоянии, но она, подобно всем черным  дырам, может «включаться» время  от времени. Интересно понять  взаимосвязь этих циклов с  общим потоком вещества в нашей  Галактике, а также влияние этой  черной дыры на способность  Солнечной системы поддерживать  условия, пригодные для жизни  людей.

 

 

 

 

 

3. Черная дыра  в центре млечного пути

 

    Ненасытное чудовище, сидящее в центре нашей Галактики, способно повлиять не только  на пригодность Земли для жизни  людей, но даже и на само  существование нашей планеты.

 

    Существование  человечества в этом месте  Вселенной, в микроскопическом уголке  обжитого людьми космоса, скоротечно. С полнейшим пренебрежением к  нашим желаниям и нуждам природа  разыгрывает собственные грандиозные  спектакли на таких необъятных  масштабах пространства и времени, которые наш разум не может  постичь. Быть может, все, что нам  остается, — это наблюдать за  окружающим миром и, пользуясь  своей способностью задавать  бесконечные вопросы и отыскивать  ответы, удивляться, почему мы очутились  именно здесь и сейчас на  эволюционном пути нашей Вселенной. Один из интереснейших вопросов  — насколько глубоко уникальность  нашего существования связана  с процессами звездообразования, с формированием галактик и  черных дыр.

    Большое количество  космических феноменов могут  потенциально влиять на существование  жизни, но одни из них важнее  других. Черные дыры принадлежат  именно к более важным, благодаря  своей уникальной природе. Нет  других объектов во Вселенной, так же эффективно превращающих  материю в энергию. Ничто во  Вселенной не действует как  гигантская вращающаяся электрическая  батарея, способная выталкивать  вещество со скоростью, близкой  к световой, на десятки тысяч  световых лет. Черные дыры способны  захватывать в ловушку вещество, находящееся рядом, как никакой  другой объект; они - своего рода  «вселенские едоки». И будучи  таковыми, они часто заглатывают  вещество, не разжевывая, вместо  того чтобы неспешно его дегустировать.

 

 

4. Циклы

 

    Результат астрономических  обзоров показал, что рабочий  цикл черной дыры связан, как  это ни удивительно, с динамикой  звезд в галактике, в центральной  области которой эта черная  дыра расположена. Те же процессы, что отправляют вещество в  черную дыру, таким образом запуская  ее рабочий цикл, влияют и на  звезды, заполняющие галактику. Энергия, которая исходит от сияющей  черной дыры в пике ее рабочего  цикла, может, со своей стороны, обогащать  звездное население галактики  и способствовать новому звездообразованию. Такая взаимосвязь очень важна  для понимания природы галактики. Звезды в галактике могут быть  красноватыми, желтоватыми и голубоватыми. Голубые звезды обычно более  массивны. Время их жизни невелико, их внутреннее топливо сгорает  за несколько миллионов лет. Это  означает, что если вы обнаруживаете  голубую звезду на ночном небе, то вы видите молодую звездную  систему и указания на скорое  рождение и гибель звезды.

    Астрономы заключили, что если оценить количество  всего испущенного какой-нибудь  галактикой света, то ее цвет  окажется промежуточным между  красноватым и голубоватым. Если  галактика красная (находящаяся  в «красной последовательности»  на эволюционной диаграмме), то  она скорее всего эллиптическая, а голубая (находящаяся в «голубом  облаке» на эволюционной диаграмме) — спиральная. Между этими двумя цветами находится переходная область, когда система как целое становится более красной, ее молодые голубые звезды постепенно умирают. Без капли иронии некоторые астрономы называют этот период «зеленой долиной».

    За прошедшие  миллиарды лет существовали самые  большие спиральные галактики  на указанном этапе эволюции, которые обладали самыми длительными  рабочими циклами находящихся  в их центре черных дыр. «Зеленая  долина» — это дом для наиболее  регулярно растущих гигантских  черных дыр в современной Вселенной. Такие галактики весят 100 млрд  солнечных масс. Одна из десяти  подобных галактик содержит черную  дыру, активно поглощающую вещество, их рабочий цикл отличается  регулярностью.

    Связь физических  механизмов, общих для галактик  «зеленой долины», и активности  черных дыр в их центрах  остается загадочной. Это промежуточная  зона в эволюционном пути галактик, и большинство наблюдаемых галактик  находятся либо еще в голубом  облаке, либо уже в красной  последовательности. Звездная система, находящаяся на этапе «зеленой  долины», претерпевает изменения. Известно, что сверхмассивные черные дыры  могут быть значимы и в других  ситуациях, например в галактических  скоплениях или молодых больших  галактиках. Быть может, их активность  и ведет галактики в стадию  «зеленой долины». Возможно, что  те же обстоятельства, которые  служат причиной изменения галактики, поставляют вещество в центральную  черную дыру.

 

    Изучая другие  ближайшие к нам спиральные  галактики, мы не находим в  них следов того, что черные  дыры откачивают большую часть  энергии, которая влияла на эти  системы на расстояниях в тысячи  световых лет. В некоторых случаях  мощное ультрафиолетовое и рентгеновское  излучение от вещества, падающего  на черную дыру, может создавать  области активного истечения  нагретого газа из системы. Эти  потоки движутся через зоны  звездообразования галактики подобно  тому, как движется теплый атмосферный  фронт над поверхностью Земли. Точный механизм того, как эти  потоки влияют на звездообразование, неизвестен, но известно, что они  обладают большой энергией. Захват  крупной галактикой карликовой  галактики побуждает вещество  двигаться по направлению к  черной дыре. Это подобно тому, как ворошат угли, чтобы раздуть  костер. Собственная гравитация  и давление поглощаемой карликовой  галактики влияют на процесс  звездообразования в большой  галактике. Изучение таких процессов  помогает хотя бы отчасти понять, почему активность сверхмассивных  черных дыр коррелирует с возрастом (а следовательно, и с цветом) звезд  вокруг нее.

    Важно отметить, что недавно астрономы обнаружили, что наша Галактика как раз  находится на эволюционной стадии  «зеленой долины». Этот факт означает, что сверхмассивная черная дыра, расположенная в центре нашей  Галактики, может обладать быстрым  рабочим циклом, что неожиданно, поскольку она не выглядит  активной согласно наблюдениям. Она проявляет себя только  по характерным искривлениям  орбит звезд в центральной  области Галактики. И по этим  данным можно оценить ее массу  всего в 4 млн солнечных. Согласно  нашим предыдущим рассуждениям, эта черная дыра должна быть  активной.

    Среди всех  мест во всех галактиках во  всей Вселенной человечество  выбрало для своего обитания  именно такое место. Однако никто  не мог знать заранее, что наша  Галактика дала убежище прожорливой  черной дыре. Впрочем, быть может, между такими объектами и возникновением  жизни есть взаимосвязь.

    Действительно, оказывается  что ситуация кардинально изменилась  совсем недавно. Мы наблюдаем  рентгеновское излучение, исходящее  от межзвездных облаков газа, которые расположены на расстоянии 300 световых лет от галактического  центра. Это означает, что вблизи  галактического центра 300 лет назад  было выброшено рентгеновское  излучение в миллион раз больше, чем сейчас. В 2010 г. небольшая группа  из Гарвардского университета  объявила о том, что тусклая, но  обширная область, видимая в гамма-излучении, движется из внутренних областей  галактики. Она рассредоточена по  пространству и имеет вид пары  пузырей, каждый размером около 25 тыс. световых лет. Подсвеченные  фотонами гамма-излучения, эти пузыри  могут быть результатом активности  центральной черной дыры, произошедшей 100 тыс. лет назад.

    Если Млечный  Путь подчиняется тем же законам, что и наблюдаемые нами десятки  тысяч галактик, то наша галактика  должна содержать регулярную  в смысле своей активности  черную дыру, пусть она даже  и не самую большую и прожорливую. И в любой момент мы можем  ожидать вспышки ее гравитационной  активности.

 

5. Формирование  галактики

 

    Несомненно, наша  галактика Млечный Путь и сверхмассивная  черная дыра в ее центре  — особенные, потому что именно  в нашей Галактике зародилась  разумная жизнь. Это то, что ученые  и философы называют антропным  принципом. Слово «антропный» - греческого  происхождения, оно означает принадлежность  к человеку, к его деятельности. Антропный принцип задается вопросом, специально ли Вселенная устроена  таким образом, чтобы в ней  смогла зародиться жизнь. Так, если  только несколько фундаментальных  законов физики (или физических  констант) были бы хоть немного  иными, то жизнь не смогла бы  образоваться. Мы незнаем, почему  физические параметры именно  такие, какие они есть. Возникает  вопрос: почему наша Вселенная  приспособлена к возникновению  жизни? Разве это не невероятная  случайность?

    Подобно многим  ученым, автор этой статьи не  удовольствовался такой постановкой  вопроса. Надо попытаться окончательно  преодолеть старое заблуждение  о том, что мы — в некотором  смысле «центр всего». Подобно  тому как когда-то Коперник  провозгласил, что мы не представляем  собою центра нашей Солнечной  системы, мы и не центр Вселенной. Более того, согласно современной  космологической модели, Вселенная  вообще не имеет центра. Однако  на некоторые вопросы, задаваемые  исходя из антропного принципа, ответить по-прежнему трудно. Вопрос  о нашей исключительности может  быть решен в рамках концепции  множественности миров или множественности  реальностей. Например, если наша  Вселенная - одна из очень многих  в многомерном пространстве, то  нет ничего удивительного в  нашем существовании: просто мы  существуем в том мире, в котором  один из наборов условий этому  способствует. Это как остров  с подходящим климатом.

    Подобные рассуждения  заставляют нас задуматься: а  каковы вообще должны быть  условия во Вселенной, чтобы в  ней смогла зародиться жизнь? Наличие сверхмассивной дыры  в центре нашей Галактики наводит  на мысль о связи Солнечной  системы и циклической активности  этого объекта. Действительно, первый  приходящий в голову вопрос  — испытала ли Солнечная система  влияние черной дыры примерно 25 тыс. лет назад? -------------

    Могло ли влияние  черной дыры повлиять на развитие  жизни? Когда черная дыра, расположенная  в центре Млечного Пути, находится  в «рабочем состоянии», поглощая  и выталкивая вещество, то все  эти процессы не предполагают, что черная дыра будет казаться  нам невообразимо яркой. Огромные области, излучающие в гамма-диапазоне, свидетельствуют об энергетической активности центральных областей нашей Галактики, но не напрямую относительно Солнечной системы. События в центре Галактики, которые могут оказать на нас влияние, должны были произойти в далеком прошлом — быть может, даже раньше, чем образовалась наша Солнечная система (около 4,5 млрд лет назад). Таким образом, наш «центральный монстр» может оказывать преимущественно только очень слабое воздействие на Солнечную систему и другие подобные ей периферийные области нашей Галактики.

    С точки зрения  существования жизни это хорошие  новости, потому что в противном  случае планеты, подобные Земле, могли бы оказаться задетыми  в случае резкого роста окружающего  межзвездного излучения в форме  быстро движущихся частиц и  фотонов высоких энергий. Излучение  могло бы быть вредным не  только для органических молекул  и составленных из них сложных  организмов, но даже и для химического  состава атмосферы и океанических  вод. Если бы мы жили ближе  к центру нашей Галактики, то  подобная опасность стала бы  для нас гораздо реальнее. И  тот факт, что мы обитаем именно  на периферии, может оказаться  не случайным. Может оказаться  также не случайным и то, что  мы живем именно в этот период  развития нашей Галактики.