Исследовательская работа черные дыры космоса.

Исследовательская работа черные дыры космоса.

Всероссийский конкурс юношеских исследовательских работ им. В. И. Вернадского 2013-14 года

Автор: Войнов Александр
Руководитель: Войнова Мария Анатольевна

1.Введение
Меня зовут Саша Войнов. Мне 8 лет. Я учусь во втором классе. Мне очень нравится наблюдать за звездами. Я люблю изучать все, что связано с космосом. Во Вселенной немало загадочных и недостаточно изученных объектов. Одними из самых интересных объектов является черные дыры. Многие считают, что черные дыры не существуют. Я попытаюсь доказать, что они есть.
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 в будущем.
Цель исследования: сформировать понятие «чёрная дыра космоса».

Задачи:
1. Изучить историю возникновения вопроса о черных дырах.
2. Систематизировать и изучить информацию о черных дырах (возникновение, свойства).
3. Провести опыты.
Методы исследования: работа с литературными источниками и Интернет – ресурсами, эксперимент.
Новизна исследования: термин «Черная дыра» появился давно, однако полного исследования черных дыр до сих пор не проведено. Мною были придуманы опыты с целью, объяснить некоторые свойства черных дыр.
Обзор литературы:
Источник информации Что я узнал
Хокинг С. Три книги о пространстве и времени. История появления идеи о «Черных дырах»; как появляются черные дыры, понятие коллапс звезды; что значит искажение пространства; где живут черные дыры
КИП С. Торн. Черные дыры и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна. Как происходит искажение пространства и времени; вклад Эйнштейна в развитии теории существования черных дыр
Ян Николсон. Вселенная. Серия «Жизнь планеты» Что значит сверхмассивные звезды, сравнение размеров солнца, звезд с размерами автомобиля
Я познаю мир: Дет. энцикл.: Физика Общие сведения о черной дыре: история, как появляются
Я познаю мир: Дет. энцикл.: Космос История возникновения термина «Черная дыра»
Энциклопедический словарь юного физика. Что значит: гравитация, масса, притяжение, частица; работа Ньютона – свет состоит из частиц
Энциклопедический словарь юного астронома. Теории возникновения черных дыр
Новости про космос и НЛО Картинки и фото с изображением черных дыр
WWalls.RU: обои для рабочего стола. Космос Картинки и фото с изображением черных дыр

2.История идеи
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!»

3.Теории возникновения черных дыр:
Как формируются (возникают) черные дыры? Существует по три теории возникновения черных дыр:
1. Коллапс звезды под действием собственной силы гравитации: крупные звезды существуют за счет собственной энергии. Звезда живет, пока не кончится эта энергия. При уменьшении размеров звезды, ее плотность увеличивается, что приводит увеличению массы звезды. Если масса звезды будет больше трех солнечных, то это приводит к коллапсу звезды.
2. 14 млрд. лет назад началось расширение нашей Вселенной. Существует теория, сто в то время высокая плотность наблюдалась повсюду. Поэтому небольшие изменения плотности в ту эпоху могли приводить к рождению черных дыр любой массы, в том числе и малой.
3. Существует предположение, что черные дыры могут возникнуть при столкновении быстрых элементарных частиц. При сильном столкновении двух частиц они могут сжаться достаточно сильно, чтобы родилась микроскопическая черная дыра. После этого она почти мгновенно разрушится.

4.Свойства черных дыр
1) Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если наблюдатель, который находится на некотором расстоянии от черной дыры, бросит в сторону черной дыры светящийся предмет, например фонарь, то увидит, как он будет падать все быстрее и быстрее, но затем начнет замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть. С точки зрения далекого наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда вместе с фонарем, то он за короткое время упал к центру черной дыры, будучи при этом разорван ее мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра. То есть если что-то (кто-то) проникнет за горизонт событий, то никогда не вернется.
2) Если тело, из которого возникла черная дыра, вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется “вихревое” гравитационное поле (воронка), увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее.
3)Когда тело сжимается в черную дыру, то все его характеристики, кроме массы, электрического заряда и момента импульса, исчезают (такие, как состав, плотность, объем и др.).
4) Граница черной дыры называется горизонтом событий. Веществом, которое попадает в горизонт событий черной дыры, непременно будет образована сингулярность (область бесконечно малых размеров) с неизмеримо огромной плотностью, из-за которого все вещество звезды разрушается.
5) Черная дыра может очень медленно «испаряться». Это открыл Стивен Хокинг. Им было доказано, что черные дыры способны выпускать вещество и излучение, но это можно заметить только в том случае, если масса самой черной дыры достаточно низкая.
6) Черная дыра обладает огромным, неиссякаемым запасом энергии.

5.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.

6.Описание опытов
Первый опыт «Невидимая реальность»
Представьте, что наша Земля – это Вселенная, а все, что на ней находится (люди, животные, растения) – это объекты Вселенной (т.е. звезды, планеты, кометы). Если закрыть глаза, то мы ни чего не увидим, но это не означает, что все вокруг нас исчезло.
Второй опыт «Искажение пространства»
Возьмем лист бумаги и поставим две точки. Соединим точки прямой. Расстояние между точками определим при помощи линейки. Теперь скомкаем лист. Расстояние между точками уменьшилось. Таким образом, можно говорить об изменении пространства внутри черной дыры.
Третий опыт «Цвет черной дыры»
Возьмем две коробки с небольшими круглыми отверстиями. Одну внутри покрасим белым цветом, а другую черным. Посмотрим в отверстия в коробках. В обоих коробках ни чего не видно. Поместим предметы – их тоже не видно. Поэтому, можно говорить, что внутри черные дыры необязательно черные. Отсюда следует, что черные дыры необязательно черные.
8.Выводы
Итак, на мой взгляд, в рамках своей работы мне удалось сформировать понимание того, что такое чёрная дыра: я изучил литературу, систематизировал полученную информацию, познакомился с историей данного вопроса, рассмотрел свойства черных дыр и провел опыты.
Черные дыры – совершенно удивительные объекты, не похожие ни на что, известное до сих пор. Это дыры в пространстве и времени, возникающие из-за очень сильного искривления пространства и изменения характера течения времени в стремительно нарастающем гравитационном поле. В последующем я хочу продолжить свою работу по изучению этих интереснейших объектов, поскольку черные дыры обладают огромной энергией, которую можно использовать для нужд человечества.

Ученые: Использовать черные дыры для космических путешествий можно, но только осторожно

Одна из самых интересных тем в современной научной фантастике является концепт использования черных дыр в качестве порталов в другую вселенную, время или измерение. Многие астрофизики утверждают, что в настоящих условиях такое попросту невозможно. Однако группа исследователей из Университета штата Массачусетс в Дортмунде (США) считает, что эта фантазия на самом деле не так уж и далека от реальности.

Черные дыры являются, возможно, самыми загадочными объектами во Вселенной. Они — результат гравитационного коллапса сверхмассивных звезд, приводящего к созданию настоящей сингулярности – объекта бесконечной плотности, появившегося вследствие сжатия целой звезды до крошечной точки. Эти горячие точки бесконечной плотности обладают настолько мощной гравитацией, что способны в буквальном смысле разрывать пространство-время. Согласно предположениям, этот факт открывает возможность использовать эти объекты для гиперпространственных путешествий.

Конечно же, более ранние научные исследования на этот счет говорили о том, что любой объект, например, космический корабль, или живое существо, которые решат использовать черную дыру в качестве портала, очень быстро об этом пожалеют. Бесконечная гравитационная сингулярность и высокие температуры приведут к тому что объект будет растягиваться и сжиматься до тех пор, пока полностью не испарится.

Путешествие сквозь черную дыру

Научная команда профессора физики Гаурава Ханна из Университета штата Массачусетс в Дортмунде (США) и их коллеги из Колледжа Гвиннетт в штате Джорджия смогли показать, что не все черные дыры одинаковы. Исследователи считают, что у объектов, проходящих сквозь большие и вращающиеся черные дыры, такие как например, Стрелец А* в центре нашей галактики, шансы выжить будут гораздо выше.

Объясняется это тем, что у больших и вращающихся черных дыр сингулярность действует несколько иначе, «нежнее» или «слабее» и поэтому имеется вероятность того, что она не будет повреждать те объекты, которые будут с ней взаимодействовать. На первый взгляд этот может показаться бредом, однако ученые приводят в качестве объясняющей аналогии простой эксперимент с быстрым перемещением руки над горящей свечей. Попробуйте сами и увидите, что огонь вас не будет обжигать.

Гаурав Ханн и его коллега Лиор Бурко занимаются вопросами физики черных дыр более двадцати лет. В 2016 году Кэролайн Маллари, одна из аспиранток Ханна, вдохновленная блокбастером режиссера Кристофера Нолана «Интерстеллар» решила научным методом проверить, действительно ли главный герой фильма смог бы выжить при падении в гигантскую вращающуюся черную дыру Гаргантюа, обладающую массой в 100 миллионов раз превосходящую солнечную.

Сам фильм, напомним, был поставлен по книге нобелевского лауреата по астрофизике Кипа Торна. Описанные в голливудском блокбастере внешний вид, размеры и физические свойства черной дыры Гаргантюа, являющейся одним из центральных «персонажей» это фильма — его работа.

Опираясь на исследование другого физика Амоса Ори, результаты которого были представлены несколькими десятилетиями ранее, а также заручившись поддержкой компьютерных технологий, Кэролайн Маллари создала компьютерную модель, в которой отражаются большинство физических эффектов, которые оказывались бы на космический аппарат или любой другой объект, попавший в центр вращающейся черной дыры, такой как Стрелец А*.

Выдуманная черная дыра Гаргантюа из фильма «Интерстеллар»

Даже прическу не помнет?

Компьютерная модель показала, что при любых условиях объект падающий во вращающуюся черную дыру не будет испытывать бесконечно больших эффектов деформации при прохождении сквозь так называемый внутренний горизонт сингулярности – область черной дыры, избежать которой не удастся в любом случае. Более того, при определенных обстоятельствах воздействие этих эффектов будет настолько мало, что объект сможет без проблем пройти сквозь эту сингулярность, а в некоторых случаях и вовсе не заметить никакого воздействия со стороны.

Маллари также обнаружила особенность, которая в полной мере не привлекала к себе внимания раньше: эффекты сингулярности в контексте вращающейся черной дыры приведут к стремительному увеличению циклов растягивания и сжатия объекта, падающего в ее центр. Однако исследовательница в своей работе отмечает, что в случае очень больших черных дыр, размером с ту же Гаргантюа, сила этих эффектов будет очень незначительной. Настолько незначительной, что ни сам космический аппарат, не живые существа, находящиеся на его борту, вероятнее всего, их даже не заметят.

На этом графике показана физическая нагрузка на стальную раму космического аппарата с его приближением к центру вращающейся черной дыры. В маленькой вставке показана детализированная картина нагрузки, которая будет отмечаться при максимальном сближении аппарата. Важно отметить, что нагрузка сильно возрастет в точке максимального сближения с черной дырой, но не будет расти в бесконечность. Другими словами, аппарат и его экипаж могут пережить такое путешествие

Важным моментом здесь является то, что физические эффекты, оказываемые на корабль, не будут растут бесконечно. Они ограничены определенным пределом, даже несмотря на то, что будет казаться, что нагрузка на корабль будет расти бесконечно с приближением к черной дыре.

Конечно же, в исследовании Маллари (обсудить можно в нашем Telegram-чате) есть несколько важных упущений и допущений, с учетом которых в ином случае конечный результат может быть совсем другим. Например, в представленной модели предполагается, что черная дыра полностью изолирована от воздействия внешних факторов, таких как постоянные гравитационные и иные возмущения, вызываемые, например, расположенной рядом звездой или же попадающим в черную дыру внешним излучением. Следует понимать, что обычно вокруг настоящих черных дыр скапливается очень много различного материала: пыль, газ, радиация и так далее. Исходя из всего этого, логичным продолжением работы Маллари будет повторное исследование данного контекста, но уже с учетом условий более реалистичных астрофизических черных дыр.

Использование методов компьютерного моделирования для прогнозирования эффектов воздействия на объекты, находящиеся рядом с черными дырами – вполне распространенная практика. Реальной возможности проверить свои теории у современной науки пока нет, поэтому ученым приходится активно полагаться на гипотезы и симуляции, которые помогают понять базовые вещи, делать прогнозы и новые открытия.

«Исследовательская работа «Небесные тела. Черные дыры в космосе»

Содержание
TOC o “1-3” h z u Введение PAGEREF _Toc451201898 h 31. Объекты глубокого космоса PAGEREF _Toc451201899 h 42. Идея Джона Мичелла о чёрных дырах PAGEREF _Toc451201900 h 73. Формирование чёрных дыр PAGEREF _Toc451201901 h 74. Свойства чёрных дыр PAGEREF _Toc451201902 h 85. Анкетирование PAGEREF _Toc451201903 h 96. Изготовление макета чёрной дыры PAGEREF _Toc451201904 h 10Вывод PAGEREF _Toc451201905 h 11Список литературы PAGEREF _Toc451201906 h 12Приложение 1. Анкета-опросник на тему «Небесные тела. Чёрные дыры в космосе» PAGEREF _Toc451201907 h 13

ВведениеНаша Вселенная содержит удивительное разнообразие небесных объектов, которые называют небесными телами или астрономическими объектами. Хотя большинство видимого космоса состоит из пустого пространства, небесные тела, являются материалом, который заполняет пустое пространство Вселенной. В своей работе я хочу вам рассказать об этих загадочных объектах и ответить на вопрос, который меня волнует давно: «Откуда в космосе появились чёрные дыры?»
Цель работы: изучить современные теории возникновения чёрных дыр в космосе.
Задачи:
Найти информацию о небесных телах.
Узнать об истории возникновения, формирования и свойствах чёрных дыр.
Провести анкетирование одноклассников.
Изготовить макет чёрной дыры.

Объекты глубокого космосаБольшинство из нас знакомы со звездами, планетами и спутниками. Но помимо этих общеизвестных небесных объектов, во Вселенной существует множество других удивительных достопримечательностей. Приведём примеры некоторых из них.
Экзопланеты – это планеты, расположенные за пределами Солнечной системы.

Туманности – это космические облака из газа и пыли, расположенные в пространстве между звёздами.

Галактики являются крупными группировками звезд, пыли, газа, удерживаемых вместе гравитацией.

Пульсар – это очень похожий на звезду объект, который излучает быстрые импульсы радиоволн.

Квазары являются самыми отдаленными и яркими объектами в известной нам Вселенной.

Чёрные дыры – несомненно, самые странные и загадочные объекты в космосе.

Чёрные дыры являются, пожалуй, самыми малоизученными объектами во Вселенной.
2. Идея Джона Мичелла о чёрных дырах-419106096000Английский геофизик и астроном Джон Мичелл одним из первых предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, Мичелл рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более 3 км, то даже частицы света не могли бы улететь далеко от такой звезды. Поэтому такая звезда казалась бы издалека абсолютно темной. Эту идею Мичелл представил на заседании Лондонского Королевского общества 27 ноября 1783 года. Так родилась концепция «ньютоновской» чёрной дыры.
3. Формирование чёрных дыр-20383532131000Откуда же появляется чёрная дыра в космосе? Я предположила, что чёрные дыры появляются после столкновения небесных объектов. Чёрные дыры, на самом деле формируются из сверхмассивных звезд, масса которых, по крайней мере, в десять раз больше, чем масса нашего Солнца. Вся жизнь звезды представляет собой противоборство двух сил. Первая сила: гравитационное сжатие, которое вызывается давлением вышележащих слоев звезды на нижележащие слои, а вторая сила – расширение разогретого газа (водорода) в центре звезды. Пока в центре звезды горит водород, звезда светит, но в какой-то момент водород в ядре заканчивается и начинается горение гелия. Запасы гелия тоже не бесконечны, и в реакцию вступает углерод, так звезда использует в реакциях ядерного синтеза все элементы вплоть до железа. Когда давление разогретого газа ослабевает, тогда вышележащие слои звезды начинают стремительно притягиваться к центру. При этом звезда уменьшается в размерах и появляется черная дыра. Моя гипотеза не подтвердилась.
4. Свойства чёрных дырКогда супермассивная звезда коллапсирует в черную дыру, она не становиться настолько маленькой. Это ее плотная, уменьшенная модель, но при этом содержащая то же количество массы, что и исходная звезда. Главная особенность черных дыр – это сингулярность, которую можно представить как центр чёрной дыры. Сингулярность – это место, откуда нет возврата. Второе свойство чёрных дыр – горизонт событий, он ограничивает пространство внутри чёрной дыры. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, ничто и не может вырваться из пределов горизонта событий. Поэтому обнаружить чёрные дыры в космосе очень сложно.

Самой большой чёрной дырой в известной нам Вселенной является черная дыра, расположенная в центре галактики NGC 1277 в созвездии Персея, находящейся на расстоянии 228 миллионов световых лет от Земли. Её масса в 17 миллиардов раз больше массы Солнца, а диаметр составляет 4 световых дня, что намного больше диаметра всей Солнечной системы.

5. АнкетированиеПосле того как я закончила работу над проектом и мне стало понятно откуда возникли чёрные дыры в космосе. Мне захотелось узнать, а что об этом знают мои одноклассники. Я провела анкетирование и вот результаты моей работы. Анкета состояла из шести вопросов.
Что такое Земля?
Что такое Солнце?
Что такое Луна?
Какие небесные тела ты знаешь?
Ты знаешь, что в космосе есть чёрные дыры?
Откуда в космосе появились чёрные дыры?
В опросе участвовало 20 человек. На первый вопрос о Земле 18 человек ответило правильно, 2 – неправильно. На второй вопрос о Солнце 16 человек ответило правильно, 4 – неправильно. На третий вопрос о Луне 12 человек ответило правильно, а 5 человек не знают. На четвертый вопрос о небесных телах 12 человек ответило правильно, 7 человек не знают. На пятый вопрос о чёрных дырах в космосе 17 человек ответило «да», 3 человека «нет». На последний вопрос о возникновении чёрных дыр 14 человек ответило, что не знают, 5 человек неправильно сформулировали ответ и только 1 ученик ответил верно.
По результатам анкетирования можно сделать следующие выводы: многие знают о существовании небесных тел видимого космоса – Земля, Солнце, Луна. А о небесных объектах глубокого космоса – экзопланеты, галактики, чёрные дыры, знают не все. Ребята в моём классе знакомы с понятием «чёрные дыры», но только лишь один человек дал правильный ответ на вопрос – откуда они берутся? Это значит, что практически никто глубоко не интересовался вопросом о чёрных дырах. На следующий год я планирую одноклассникам рассказать о чёрных дырах.
6. Изготовление макета чёрной дырыА сейчас я вам предлагаю макет «чёрной дыры», выполненный на 3D принтере. Обнаружить чёрные дыры в космосе очень сложно, и никто не знает в точности, что происходит в глубинах чёрных дыр. Есть предположения, что некоторые чёрные дыры являются переходами из одного пространства в другое, тогда их называют «кротовыми норами». Мой макет демонстрирует эту физическую модель.

ВыводКакие я сделала выводы: чёрные дыры — это одно из самых странных явлений во Вселенной. Я узнала, что это объект с огромной массой и плотностью, а значит и притяжением, за пределы которого не может вырваться даже свет — поэтому дыра чёрная. На самом деле, большинство астрономов теперь считают, что супер массивная черная дыра может существовать в центре нашей галактики Млечный Путь.

Список источников
1. Грин Брайан Элегантная Вселенная: Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории / Под ред. В.О. Малышенко. – Изд. 6-е. – М.: УРСС, 2013. – 288 с.
2. Черепащук А.М. Поиски черных дыр. – Успехи физических наук, 2003, т.173, № 4.
3. Черепащук А.М. Массы черных дыр в двойных системах. – Успехи физических наук, 1996, т. 166, № 8.
4. Киржниц Д.А. Горячие «черные дыры». Новое в понимании природы теплоты. – Соросовский образовательный журнал, 1997, № 6.
5. Новиков И.Д. Черные дыры и Вселенная. – М.: Молодая гвардия, 1985.
6. Шапиро С., Тьюколски С. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. – М.: Мир, 1985.
7. Гид в мире космоса [Электронный ресурс] / http://spacegid.com/chernyie-dyiryi (дата обращения 12-V-2016).
8. Discovery: Во Вселенную со Стивеном Хокингом [Видеозапись]. Эпизод 3. Рассказ обо всём. – Великобритания: Discovery Channel, 2010.
Приложение 1. Анкета-опросник на тему «Небесные тела. Чёрные дыры в космосе»Что такое Земля? __________________________________________________________________________________________________________________________
Что такое Солнце?
__________________________________________________________________________________________________________________________
Что такое Луна?
_____________________________________________________________
Какие небесные тела ты знаешь? (назвать несколько)
__________________________________________________________________________________________________________________________
Ты знаешь, что в космосе есть чёрные дыры? (ответить да или нет)
_______________________
Откуда в космосе появились чёрные дыры?
_____________________________________________________________
Заполнил: ____________________________, ______ класс

• 0005a838-d20edfa0
  Размер файла: 1 MB Загрузок: 3

Источники:

http://doshkolnik.ru/interesnoe/9185-chernie-diri.html

http://hi-news.ru/research-development/uchenye-ispolzovat-chernye-dyry-dlya-kosmicheskix-puteshestvij-mozhno-no-tolko-ostorozhno.html

http://schoolfiles.net/1821771