Закрити
Чорні дірки - загадкові об'єкти космічного простору
09 Липня 2007, 00:00 , Переглядів: 7413
FacebookTwitterLivejournal
Чорні дірки - загадкові об'єкти космічного простору Фото: http://www.npblog.com.ua Чорні дірки - загадкові об'єкти космічного простору

Розробка уроку з астрономії.

Мета уроку:

  • освітня: вивчити нове поняття - "Чорна дірка", розглянути умови її виникнення і будову, обговорити найбільш відомі гіпотези.
  • виховна: сформувати і розвивати у учнів астрономічні уявлення; уявлення про дію у Всесвіті фізичних законів, відкритих в земних умовах, виховувати пізнавальну потребу і інтерес до предмету.
  • розвиваюча: розвивати здатність швідко спріймати інформацію і виконувати необхідні завдання; розвивати уміння аналізувати, логічне мислення і увагу.

Тип уроку

Урок вивчення нового матеріалу.

Устаткування:

підбірка фотографій із зображенням чорної дірки, портрети учених.

Хід уроку

Вивчення нового матеріалу

Розповідь вчителя

Чорні дірки - це області простору, настільки щільні, що навіть світло не може подолати їх гравітаційного тяжіння.

Цей знімок зроблено космічним рентгенівським телескопом Chandra.

На ньому зображена галактика NGC 4696, яка знаходиться на відстані 150 млн світлових років від Землі.

Червоним кольором показано хмару гарячого газу розміром близько 10 тис. світлових років в поперечнику.

В центрі галактики знаходиться яскраве активне ядро, а в центрі цього ядра - надмасивна чорна дірка.

Ця чорна дірка є дуже ефективним генератором енергії. Паливом для неї є навколишня матерія, яка засмоктується в чорну дірку.

(За матеріалами Space.com)

Цей загадковий космічний об'єкт, поглинає все підряд: газ, пил, світло, звук, будь-яку енергію і навіть зірки.

Речовина яку чорна дірка вбирає, стає настільки гарячою, що починає випромінювати з дуже високою енергією у міру того, як занурюється в чорну дірку. Ця енергія включає і рентгенівське випромінювання, яке здатні виявляти телескопи на навколоземній орбіті.

У чорній дірці і на близькій відстані від неї час тече значно повільніше чим на землі. Чорна дірка є кінцевим результатом діяльності зірок, маса яких вище сонячною в п'ять разів або більше. Після використання всіх резервів ядерного пального і припинення реакцій зірка вмирає. Залежно від її маси вона може стиснутися і згаснути(маса зірки менше маси сонця) або зірка вибухає і з'являється найновіша зірка(маса зірки більше сонячної у декілька разів). Після чого всі залишки від вибуху збираються в одну крапку, концентрація якої перевершує щільність атома в 10000 разів і утворюється чорна дірка.

Чорна дірка - це один з трьох можливих варіантів кінцевої стадії еволюції зірок. Проте на відміну від білих карликів і нейтронних зірок чорна дірка - це порожнє місце. Це те, що залишається після катастрофічного гравітаційного колапсу масивної зірки, коли вона вмирає. При коллапсе напруженість сили тяжіння над її поверхнею стає настільки жахливо великою, що простір-час, що оточує зірку, згущується, і зірка зникає зі Всесвіту; залишається тільки виключно сильно викривлена область простору-часу.


 

Вченим NASA вперше в історії вдалося сфотографувати значну подію в космосі - народження чорної дірки.

Астрономи змогли спостерігати зіткнення двох щільних нейтронних зірок, в результаті якого утворилася чорна дірка відносно невеликої маси. Процес супроводжувався спалахами гамма-випромінювання.

(11 травня 2005 р. За матеріалами SPACE.com.)

Запишіть будь ласка нові поняття

Коллапс гравітаційний - катастрофічно швидке стиснення зірки під дією сил тяжіння (гравітації).

Коллапсар - (від лат. collapsus той, що звалився, впав) Космічне тіло (інакше чорна дірка) відносно невеликих розмірів (до 20 км. у поперечнику), з дуже високою щільністю речовини.

Зовнішня будова чорної дірки

Чорна дірка володіє зовнішнім гравітаційним полем, властивості якого визначаються масою, моментом обертання і, можливо, електричним зарядом, якщо коллапсуюча зірка була електрично заряджена.
На великих відстанях поле чорної дірки практично не відрізняється від полів тяжіння звичайних зірок, і рух інших тіл, що взаємодіють з чорною діркою на великій відстані, підкоряється законам механіки Ньютона.

Гравітаційне поле настільки міцне, що абсолютно не може випускати світло, тому вони здаються чорними.

Дуже великеі гравітаційне тяжіння чорної дірки, тому покинути його поверхню не можуть навіть об'єкти, рухомі із швидкістю світла.

Уявна поверхня чорної дірки називається горизонтом подій. (новий термін у зошити)

"Звичайні" (зоряні) чорні дірки складаються з надзвичайно щільної речовини. Обчислення показують, чим більше маса чорної дірки, тим менше її щільність. Отже якщо десь усередині галактик заховані надмасивні чорні дірки, то їх щільність може бути навіть менше щільності повітря.

Існування чорних дірок було передбачене теорією відносності, згідно якої ці об'єкти мають другу космічну швидкість, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі.

Ейнштейн вважав, що утворення чорної дірки можливе при стисненні ядра масивної зірки, після повного циклу еволюції. Згідно теорії, чорні дірки є у всіх галактиках.

Три умовних періоди які обґрунтовують існування чорних дірок:

Початок першого періоду пов'язано з роботою англійського геофізика і астронома Джона Мітчелла.
Опублікована в 1784 році робота представляє розрахунок маси об'єкту, недоступного спостереженню. Спираючись на закони Ньютона, Джон Мітчелл розрахував, що якби зірка з масою Сонця мала радіус не більше 3 км., то навіть частинки світла не могли б відлетіти далеко від такої зірки. І саме по цьому ця зірка з далека здавалася б абсолютно темною. Так народилася концепція "ньютонівської" чорної дірки .

Другий період - пов'язаний з розвитком загальної теорії відносності, стаціонарне рішення рівнянь загальної теорії відносності для поля тяжіння сферичного тіла було отримане Карлом Шварцшильдом в 1915 році.
З цього рішення виходить чудовий вивід: сила тяжіння, що діє між масою М і пробною частинкою m на відстані r від центру маси, зростає до безкінечності при

r = 2GM/c2,

де G - гравітаційна постійна,
c - швидкість світла.

Згідно ньютонівської теорії сила тяжіння прагне до нескінченності при r → 0, згідно рівняння

F=GMm/r2.

Іншими словами, теорія відносності припускає можливість існування об'єктів з нескінченною гравітаційною силою на кінцевій відстані від їх центру.

Таку відстань, яка дорівнює 2GMm/r2, називають гравітаційним радіусом тіла Rg, а сферу з радіусом, рівним гравітаційному, - сферою Шварцшильца. (зверніть увагу на нові терміни, запишіть у зошити).

Третій період - 1975 рік, робота Стівена Хокинга, в якій він запропонував ідею про випромінювання чорних дірок.

Знаменитий фізик припустив, що чорні дірки випускають квантове випромінювання теплового характеру.

Випромінювання чорних дірок було названо випромінюванням Хокинга.
Останні відкриття в цій області підтверджують його гіпотезу.

Межа між другим і третім періодами досить умовна, оскільки не відразу сталі очевидні всі наслідки відкриття Хокинга, вивчення якого продовжується до цих пір.

В кінці 1967-го американець Джон Арчібальд Уїлер першим назвав фінал зоряного коллапсу чорною діркою (trou noir). Новий термін дуже сподобався вченим і привів в захоплення журналістів, які рознесли його по всьому світу.

Поглинання зірки "чорною діркою"

Два штучні супутники Землі вперше дозволили вченими спостерігати процес поглинання гігантською "чорною діркою" частини невеликої зірки. Про це повідомило Національне управління по аеронавтиці і дослідженню космічного простору (НАСА). Спостереження цього процесу стало можливим завдяки американській космічній обсерваторії "Чандра", що використовує рентгенівські промені, і обсерваторії "Ньютон" Європейського космічного агентства.

Теоретично така подія прогнозувалася давно, але наочного підтвердження цьому не було. На думку учених, зірка дуже близько наблизилася до "чорної дірки", розташованої в центрі галактики RX J1242-11, і не змогла протистояти її тяжінню. Сили тяжіння "супермасивної чорної дірки" розірвали зірку на частини, після чого один з шматків, приблизно 0,01 від маси зірки, було повністю поглинено. В процесі поглинання відбувається надзвичайно могутній спалах рентгенівського випромінювання, який був зареєстрований на Землі. Галактика, в якій спостерігалося поглинання, розташована на відстані 700 млн. світлових років від Землі.

Зверніть увагу на цей знімок


 

Зверху зареєстровано руйнування зірки, яка проходить поблизу гігантської чорної дірки (розмір області 25").

На знімку зліва показанo рентгенівський спалах в центрі галактики RX J1242-11.
На фотографії справа, зафіксованою у видимих променях, білим кругом позначено місцеположення зображення отриманого "Чандра".

(18 лютого 2004 р. Chandra X-ray Observatory).

Учені сподіваються, що в майбутньому їм вдасться регулярно реєструвати подібні феномени. Астрономи вважають, що спостереження за цим процесом "надає ключову інформацію про те, яким чином збільшуються "чорні дірки" у всесвіту і як вони впливають на навколишні зірки і гази".
Імовірно маса "чорної дірки-вбивці" в 100 млн. разів більше Сонця, тоді як маса поглиненої зірки приблизно рівна масі небесного Світила. Астрономи вважають, що жертва позбулася близько 1% своєї маси, але її найбільша частина минула "чорну дірку".

Багато цікавого можна дізнатися про чорні дірки, займаючись їх вивченням впритул. У безоднях Всесвіту так багато всього нового і невідомого, що вивчатиметься ще дуже довгий час.

Закріплення нового матеріалу

Дати відповіді на наступні питання:

  1. З якими новими астрономічними термінами ви сьогодні познайомилися?
  2. Дайте визначення поняттю "Чорна дірка".
  3. Що таке гравітаційний коллапс?
  4. Як обчислити гравітаційний радіус тіла? Що це таке?
  5. Яку назву має уявна поверхня чорної дірки?
  6. Чому використовується термін "чорна"?
  7. Хто вперше запропонував термін "Чорна дірка"?
  8. Що таке випромінювання Хокинга?

Домашнє завдання

Пропонується творча робота.

Підготуйте будь ласка до наступного уроку короткі повідомлення про можливих "кандидатів" в чорні дірки, у яких галактіках вони знаходяться, на якій відстані від Сонячної системи.

Урок закінчено.

Видалити Відміна
Забанити Відміна