Оптика черных дыр

Optics of black holes

Kaparova Aigerim

student Kazakh University of Economics, Finance and International Trade, Republic of Kazakhstan, Astana

Nauryzbayeva Sholpan Talgatovna

student Kazakh University of Economics, Finance and International Trade, Republic of Kazakhstan, Astana

Kassenova Leila Galimbekovna

Candidate of Sciences, Associate Professor, Kazakh University of Economics, Finance and International Trade, Republic of Kazakhstan, Astana

Аннотация. В статье затрагивается тема природы черных дыр. По современным представлениям черные дыры — это огромные сгустки материи, находящейся в состоянии чудовищного сжатия.

Abstract. In article the subject of the nature of black holes is touched. On the modern representations black holes are huge clots of matter which is in a condition of terrible compression.

Ключевые слова: космические объекты; черные дыры; световые лучи; коллапс; траектория; фокусировка; сфера.

Keywords: space objects; black holes; light rays; collapse; trajectory; focusing; sphere.

В настоящее время проводится интенсивная работа по изучению удаленных космических объектов. Развитие современных методов астрофизических исследований даст возможность накапливать огромный экспериментальный материал, расширять область астрономических наблюдений.Наряду с экспериментальными исследованиями ведется большая работа по созданию различных теоретических моделей, объясняющих возникновение и развитие таких, астрономических объектов, как сверхновые звезды, туманности, квазары, пульсары и т. д.

Особое внимание привлекают к себе черные дыры. По современным представлениям черные дыры — это огромные сгустки материи, находящейся в состоянии чудовищного сжатия. Все частицы, попадающие в некоторую окрестность черной дыры, безвозвратно затягиваются ею, «исчезают». Никакая информация не поступает к наблюдателю из окрестностей черной дыры.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна наличие масс изменяет свойства окружающего пространства, как бы искривляет пространство. Свет, проходящий вблизи массивного тела, например, Солнца, движется не по прямой, а по искривленной траектории.Этот теоретический вывод подтвержден экспериментами.Например, во время полного солнечного затмения можно наблюдать звезды, которые, согласно точным расчетам, в это время находятся за краем Солнца и должны быть недоступными для наблюдения с Земли. Видимыми они оказываются потому, что световые лучи, идущие от звезд, проходя вблизи Солнца, искривляются (сплошные голубые линии на рисунке 1) [1, c. 10]. В результате звезды кажутся находящимися друг от друга на большем угловом расстоянии, чем в отсутствие Солнца (пунктирные линии). Искривление светового луча при его прохождении близко к поверхности Солнца составляет примерно 1.75 угловой секунды.

        Рисунок 1  Световые лучи                    Рисунок 2. искривленные траектории

            Рисунок 3. Сфера                                           Рисунок 4. Чёрная дыра

Если бы вся масса Солнца была локализована в очень небольшом объеме (скажем, в шаре радиусом 1 км), то при таком сильно сжатом (коллапсировавшем) «Солнце» искривление световых лучей, проходящих мимо него, было бы все более ощутимым по мере уменьшения расстояния от «Солнца» до ближайшей точки световой траектории [2, с.82]. На рисунке 2 схематично показаны эти искривленные траектории: те из них, которые проходят наиболее близко к «Солнцу», могут даже совершить вокруг него один или несколько витков, прежде чем отправиться в дальнейший путь.

Теоретические выводы, сделанные на основе обшей теории относительности, показывают, что существование сгустка материи в таком коллапсировавшем состоянии возможно. Такой сильно сжатый сгусток материи – его называют коллапсом — ведет себя весьма своеобразно: он притягивает к себе все близлежащие частицы (если они пролетали достаточно близко и с небольшой скоростью), не отпуская от себя ничего, даже излучения. Все близлежащее безвозвратно «проваливается» внутрь области коллапса, которая благодаря этому получила название «черная дыра». Горизонт событий — поверхность, ограничивающая область «невозвратности»,— представляет собой сферу (рисунок 3) [3, c.22].

Искривление световых траекторий вблизи черной дыры приводит к явлению, которое можно назвать фокусировкой света черной дырой. Рисунок 4 иллюстрирует это явление.К наблюдателю, находящемуся в точке Е, приходят не только прямые лучи от звезды g, но и те лучи, которые, проходя вблизи черной дыры О, были «повернуты» ею. Таким образом, хотя из самой черной дыры никакие сигналы не поступают, сфокусированный черной дырой свет всех звезд приходит к наблюдателю Е как бы из окрестности черной дыры [4, c.33]. Благодаря этому черная дыра будет восприниматься как объект чрезвычайной яркости. В центре такого объекта должно наблюдаться маленькое черное пятнышко, угловой размер которого равен φ=2r/d, где r — радиус сферы Шварцшильда, а d— расстояние от наблюдателя Е до черной дыры О. Разумеется, это черное пятнышко может быть зафиксировано в том случае, если разрешающая способность приборов у наблюдателя Е больше φ(то есть приборы позволяют наблюдать раздельными две точки, угловое расстояние между которыми равно ф) [5, c. 23].

Мы рассмотрели математическую модель, которая описывает сверхъяркие астрономические объекты не как необъяснимые источники сверхвысокой энергии. А как оптические явления. Что это – научная фантастика или действительность? Прежде всего подчеркнем, что сравнение эффектов, рассчитываемых в рамках этой модели – всего лишь математическая иллюстрация, а не обоснованная или общепринятая физическая гипотеза. Однако рассмотренная нами модель правдоподобна как возможный подход к объяснению астрономических явлений.