24.E: Black mashimo na Curved Spacetime (Mazoezi)

Makala

mashimo nyeusi

Charles, P. & Wagner, R. “Black Holes katika Binary Stars: Kupima Ushahidi.” Sky & darubini (Mei 1996): 38. Mufti mapitio ya jinsi ya kupata stellar-molekuli mashimo nyeusi.

Gezari, S. “Star-Shredding Black Holes.” Sky & Darubini (Juni 2013): 16. Wakati mashimo meusi na nyota zinapogongana.

Jayawardhana, R. “Zaidi ya Nyeusi.” Astronomia (Juni 2002): 28. Juu ya kutafuta ushahidi wa kuwepo kwa upeo wa tukio na hivyo mashimo nyeusi.

Nadis, S. “Black Holes: Kuona unseeable.” Astronomia (Aprili 2007): 26. Historia fupi ya wazo la shimo nyeusi na utangulizi wa njia mpya za kuziangalia.

Psallis, D. & Sheperd, D. “Black Hole Mtihani.” Scientific American (Septemba 2015): 74—79. Telescope ya Horizon ya Tukio (mtandao wa darubini za redio) itajaribu baadhi ya utabiri wa wageni wa relativity ya jumla kwa mikoa karibu na mashimo meusi. Swali la Septemba 2015 la Scientific American lilijitolea kwa sherehe ya maadhimisho ya miaka 100 ya nadharia ya jumla ya relativity.

Rees, M. “Kwa makali ya Nafasi na Muda.” Astronomia (Julai 1998): 48. nzuri, maelezo ya haraka.

Talcott, R. “Black Holes katika Mashamba yetu.” Astronomia (Septemba 2012): 44. Majadiliano ya aina mbalimbali za mashimo meusi katika Milky Way na vitu 19 vinavyojulikana kuwa mashimo meusi.

Mawimbi ya mvuto

Bartusiak, M. “Catch Wave Gravity.” Astronomia (Oktoba 2000): 54.

Gibbs, W. “Ripples katika Spacetime.” Scientific American (Aprili 2002): 62.

Haynes, K., & Betz, E. “Wrinkle katika Spacetime Inathibitisha Gravitation Einstein ya.” Astronomia (Mei 2016): 22. Kwa kugundua moja kwa moja ya mawimbi ya mvuto.

Sanders, G., na Beckett, D. “LIGO: Antenna Tuned kwa Nyimbo za Gravity.” Sky & Darubini (Oktoba 2000): 41.

Websites

mashimo nyeusi

Black Hole Encyclopedia: http://blackholes.stardate.org. Kutoka StarDate katika Chuo Kikuu cha Texas McDonald Ob

mashimo nyeusi: http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes. NASA maelezo ya jumla ya mashimo nyeusi, pamoja na viungo kwa habari za hivi karibuni na uvumbuzi.

Black Holes FAQ: cfpa.berkeley.edu/Elimu/BHFAQ.html. Mara kwa mara kuulizwa maswali kuhusu mashimo nyeusi, akajibu na Ted Bunn wa UC-Berkeley Kituo cha Chembe Astrofizikia.

mashimo nyeusi: Gravity ya Relentless kuvuta: http://hubblesite.org/explore_astronomy/black_holes/home.html. Safari ya Hubble Space Telescope ya kwenda Black Hole na Black Hole Encyclopedia (utangulizi mzuri kwa Kompyuta).

Utangulizi wa mashimo nyeusi: www.damtp.cam.ac.uk/research/gr/public/bh_intro.html. kurasa Cambridge University Relativity Group juu ya mashimo nyeusi na mahesabu kuhusiana.

Machi 1918: Upimaji Einstein: http://www.nature.com/nature/podcast/index-pastcast-2014-03-20.html. Nature Podcast kuhusu 1919 kupatwa safari ambayo imeonekana Einstein General Theory of Relativity.

Filamu kutoka Edge ya Spacetime: archive.ncsa.Illinois.edu/Cyberia/numrel/moviesedge.html. Wataalamu wa Fizikia wanaiga tabia ya mashimo mbalimbali meusi.

Virtual Safari katika Black Holes na Neutron Stars: http://antwrp.gsfc.nasa.gov/htmltest/rjn_bht.html. Na Robert Nemiroff katika Chuo Kikuu cha Michigan Teknolojia.

Mawimbi ya mvuto

LIGO ya juu: www.advancedligo.mit.edu. hadithi kamili juu ya uchunguzi huu mvuto wimbi.

Elisa: https://www.elisascience.org.

Mvuto Waves wanaona, Kuthibitisha Theory Einstein: http://www.nytimes.com/2016/02/12/science/ligo-gravitational-waves-black-holes-einstein.html. New York Times makala na video juu ya ugunduzi wa mawimbi mvuto.

Mvuto Waves Aligundua kutoka Colliding Black Holes: http://www.scientificamerican.com/article/gravitational-waves-discovered-from-colliding-black-holes1. Chanjo ya kisayansi ya Marekani ya ugunduzi wa mawimbi ya mvuto (angalia vifaa vya ziada vinavyopatikana kwenye orodha ya kulia).

LIGO Caltech: https://www.ligo.caltech.edu.

Video

mashimo nyeusi

Black Holes: Mwisho wa Muda au Mwanzo Mpya? : https://www.youtube.com/watch?v=mgtJRsdKe6Q. 2012 Silicon Valley Astronomia Hotuba na Roger Blandford (1:29:52).

Kifo na shimo Nyeusi: www.openculture.com/2009/02/death_by_black_hole_and_its_kind_of_funny.htm. Neil DeGrasse Tyson anaelezea tambi kwa mikono yake tu (5:34).

Hearts of Giza: Black Holes katika nafasi: https://www.youtube.com/watch?v=4tiAOldypLk. 2010 Silicon Valley Astronomia Hotuba na Alex Filippenko (1:56:11).

Mawimbi ya mvuto

Safari ya Mganda wa Gravitational: https://www.youtube.com/watch?v=FlDtXIBrAYE. Utangulizi kutoka LIGO Caltech (2:55).

Kugundua kwanza ya LIGO ya Mawimbi ya Gravitational: https://www.youtube.com/watch?v=gw-i_VKd6Wo. Maelezo na mifano kwa michoro kutoka PBS Digital Studio (9:31).

Mbili Black Holes Kuunganisha katika One: https://www.youtube.com/watch?v=I_88S8DWbcU. Masimulizi kutoka LIGO Caltech (0:35).

Nini Ugunduzi wa Mawimbi ya Gravitational Ina maana: https://www.youtube.com/watch?v=jMVAgCPYYHY. TED Majadiliano na Allan Adams (10:58).

Shughuli za Kikundi cha

1. Sayansi kuu ya kompyuta inachukua kozi ya astronomia kama ile unayochukua na inavutiwa na mashimo meusi. Baadaye katika maisha, anaanzisha kampuni yake ya intaneti na inakuwa tajiri sana inapoendelea kwa umma. Anaweka msingi wa kuunga mkono kutafuta mashimo meusi kwenye Galaxy yetu. Kundi lako ni kamati ya ugawaji wa msingi huu. Je, unaweza kusambaza pesa kila mwaka ili kuongeza nafasi ya kuwa mashimo nyeusi zaidi yatapatikana?
2. Tuseme kwa dakika kwamba nyota zinabadilika bila kupoteza uzito wowote katika hatua yoyote ya maisha yao. Kundi lako linapewa orodha ya mifumo ya nyota ya binary. Kila binary ina nyota moja kuu ya mlolongo na rafiki mmoja asiyeonekana. Aina spectral ya nyota kuu mlolongo mbalimbali kutoka aina spectral O kwa M. kazi yako ni kuamua kama yoyote ya wenzake asiyeonekana huenda mashimo nyeusi. Ambayo ni ya thamani ya kuchunguza? Kwa nini? (Kidokezo: Kumbuka kwamba katika mfumo wa nyota binary, nyota mbili zinaunda kwa wakati mmoja, lakini kasi ya mageuzi yao inategemea ukubwa wa kila nyota.)
3. Mnaishi katika siku za usoni, na wanachama wa kikundi chako wamehukumiwa (uongo) wa uasi mkubwa. Njia ya utekelezaji ni kutuma kila mtu ndani ya shimo nyeusi, lakini unapata kuchukua moja. Kwa kuwa umeadhibiwa kufa, ungependa kuona ni nini ndani ya shimo jeusi ni kama—hata kama huwezi kumwambia mtu yeyote nje kuhusu hilo. Je, ungechagua shimo jeusi lenye masi sawa na ile ya Jupiter au moja yenye masi sawa na ile ya galaxi nzima? Kwa nini? Nini kitatokea kwako unapokaribia upeo wa tukio katika kila kesi? (Kidokezo: Fikiria tofauti katika nguvu juu ya miguu yako na kichwa chako unapovuka juu ya upeo wa tukio.)
4. Uhusiano wa jumla ni moja ya maeneo ya astrofizikia ya kisasa ambapo tunaweza kuona wazi mipaka ya ujuzi wa kibinadamu. Tumeanza kujifunza kuhusu mashimo nyeusi na spacetime warped hivi karibuni na ni wanyenyekevu na kiasi gani bado hatujui. Utafiti katika uwanja huu unasaidiwa zaidi na misaada kutoka kwa mashirika ya serikali. Je, kikundi chako kinajadili sababu gani zilizopo kwa dola zetu za kodi ili kuunga mkono kazi hiyo “mbali” (inaonekana haiwezekani). Je, unaweza kufanya orodha ya “mbali nje” maeneo ya utafiti katika karne zilizopita ambayo baadaye imesababisha maombi ya vitendo? Je, ikiwa relativity ya jumla haina maombi mengi ya vitendo? Je, unadhani sehemu ndogo ya fedha za jamii inapaswa kwenda kuchunguza nadharia kuhusu hali ya nafasi na wakati?
5. Mara baada ya wote kusoma sura hii, kazi na kundi lako kuja na njama kwa hadithi ya sayansi ya uongo ambayo inatumia mali ya mashimo nyeusi.
6. Mashimo meusi yanaonekana kuwa ya kuvutia sio tu kwa wanaastronomia bali kwa umma, na yamekuwa sehemu ya utamaduni maarufu. Kutafuta mtandaoni, na wanachama wa kikundi utafiti mifano ya mashimo nyeusi katika muziki, matangazo, katuni, na sinema, na kisha kufanya presentation kushiriki mifano kupatikana na darasa zima.
7. Kama ilivyoelezwa katika sanduku la kipengele cha Gravity na Time Mashine katika Sehemu ya 24.5, filamu ya Interstellar ina sayansi nyingi za shimo nyeusi katika njama na mazingira yake. Hii ni kwa sababu astrophysicist Kip Thorne katika Caltech alikuwa na mkono mkubwa katika kuandika matibabu ya awali kwa movie, na baadaye kuzalisha yake. Kupata kundi wanachama wako pamoja (kuwa na uhakika una bisi) kwa ajili ya kuangalia ya movie na kisha kujaribu kutumia maarifa yako ya mashimo nyeusi kutoka sura hii kueleza njama. (Kumbuka kwamba filamu pia inatumia dhana ya mdudu, ambayo hatujadili katika sura hii. Mchanga ni njia inayowezekana kinadharia ya kutumia shimo kubwa, linalozunguka nyeusi ili kutafuta njia ya kusafiri kutoka sehemu moja ulimwenguni hadi nyingine bila ya kwenda kwa muda wa kawaida ili kufika huko.)

Mapitio ya Maswali

1. Je, kanuni ya ulinganifu p inatuongoza kwa mtuhumiwa kwamba spacetime inaweza kuwa ikiwa?
2. Ikiwa g relativity ujumla inatoa maelezo bora ya kile kinachotokea mbele ya mvuto, kwa nini wanafizikia bado hutumia milinganyo ya Newton katika kuelezea nguvu za mvuto duniani (wakati wa kujenga daraja, kwa mfano)?
3. Nadharia ya jumla ya Ein stein ya relativity ilitengeneza au kuturuhusu kufanya utabiri kuhusu matokeo ya majaribio kadhaa ambayo bado hayakufanyika wakati nadharia ilipochapishwa kwanza. Eleza majaribio matatu yaliyothibitisha utabiri wa nadharia baada ya Einstein kuipendekeza.
4. Ikiwa shimo jeusi lenyewe haitoi mionzi, ni ushahidi gani wanaastronomia na fizikia leo wanao kuwa nadharia ya mashimo meusi ni sahihi?
5. Ni sifa gani ambazo nyota ya binary inapaswa kuwa mgombea mzuri wa shimo nyeusi? Kwa nini kila moja ya sifa hizi ni muhimu?
6. Mwanafunzi anakuwa msisimko sana na wazo zima la mashimo meusi kwamba anaamua kuruka ndani ya moja. Ina molekuli mara 10 masi ya Jua letu. Safari hiyo ni kama nini? Ni nini kwa ajili ya darasa lolote, kuangalia kutoka mbali?
7. Je, ni tukio upeo wa macho? Je, Jua letu lina upeo wa tukio kuzunguka?
8. Wimbi la mvuto ni nini na kwa nini ilikuwa vigumu kuchunguza?
9. Je, kuna vyanzo vyenye nguvu vya mawimbi ya mvuto ambayo wanaastronomia wanatarajia kuchunguza baadaye?
10. Tuseme kiasi cha wingi katika shimo nyeusi mara mbili. Je, upeo wa macho wa tukio hubadilika? Ikiwa ndivyo, inabadilikaje?

Maswali ya mawazo

1. Fikiria kwamba umejenga chumba kikubwa karibu na watu\(24.1.3\) katika Kielelezo katika Sehemu ya 24.1 na kwamba chumba hiki kinaanguka kwa kiwango sawa na wao. Galileo alionyesha kwamba kama hakuna msuguano wa hewa, vitu vyepesi na nzito ambavyo vinashuka kutokana na mvuto vitaanguka kwa kiwango sawa. Tuseme kwamba hii haikuwa kweli na kwamba badala ya vitu nzito kuanguka kwa kasi. Pia tuseme kwamba mtu katika Kielelezo\(24.1.3\) katika Sehemu ya 24.1 ni mara mbili kubwa kama mwanamke. Nini kitatokea? Je, hii inakiuka kanuni ya ulinganifu?
2. Tumbili kunyongwa kutoka tawi la mti anaona wawindaji akilenga bunduki moja kwa moja kwake. Tumbili kisha anaona flash na anajua kwamba bunduki imekuwa fired. Akijibu haraka, tumbili inakuwezesha kwenda kwenye tawi na matone ili risasi iweze kupita bila uharibifu juu ya kichwa chake. Je, tendo hili linaokoa maisha ya tumbili? Kwa nini au kwa nini? (Kidokezo: Fikiria kufanana kati ya hali hii na kwamba katika zoezi la awali.)
3. Kwa nini hatutarajii kuchunguza X-rays kutoka kwenye diski ya jambo kuhusu nyota ya kawaida?
4. Angalia mahali pengine katika kitabu hiki kwa data muhimu, na uonyeshe ni hatua gani ya mwisho ya mageuzi—nyota nyeupe, nyota ya neutroni, au shimo nyeusi—itakuwa kwa kila aina ya nyota hizi.
   1. Aina ya Spectral Aina ya nyota kuu ya mlolongo
   2. Aina ya aina ya B nyota kuu ya mlolongo
   3. Aina ya Spectral - nyota kuu ya mlolongo
   4. Aina ya Spectral Aina ya G nyota kuu ya mlolongo
   5. Aina ya spectral -M nyota kuu ya mlolongo
5. Ambayo inawezekana kuwa ya kawaida zaidi katika Galaxy yetu: dwarfs nyeupe au mashimo nyeusi? Kwa nini?
6. Ikiwa Jua lingeweza kuanguka ghafla kwenye shimo jeusi, vipi kipindi cha mapinduzi ya Dunia kuhusu hilo kitatofautiana na kile kilicho sasa?
7. Tuseme watu katika Kielelezo\(24.1.3\) katika Sehemu ya 24.1 ni katika lifti kusonga juu na kuongeza kasi sawa na g, lakini kinyume chake. Mwanamke hutupa mpira kwa mtu kwa nguvu ya usawa. Nini kinatokea kwa mpira?
8. Unapanga kukutana na rafiki saa 5:00 p.m. siku ya wapendanao kwenye staha ya uchunguzi wa Jengo la Dola huko New York City. Unawasili kwa wakati, lakini rafiki yako haipo. Yeye fika 5 dakika marehemu na anasema sababu ni kwamba wakati anaendesha kwa kasi zaidi juu ya jengo mrefu, hivyo yeye ni kwa wakati lakini ulikuwa mapema. Je, rafiki yako ni sahihi? Je, wakati unakimbia polepole au kwa kasi juu ya jengo, ikilinganishwa na msingi wake? Je, hii ni sababu nzuri kwa rafiki yako kuwasili dakika 5 marehemu?
9. Unasimama juu ya kiwango katika lifti wakati cable inapokwisha, kutuma gari la lifti katika kuanguka kwa bure. Kabla ya breki moja kwa moja kuacha kuanguka kwako, unatazama kusoma kwa kiwango. Je! Kiwango kinaonyesha uzito wako halisi? Uzito wa dhahiri? Kitu kingine?

Kujihesabu mwenyewe

1. Angalia juu\(G\),\(c\), na wingi wa Jua katika Kiambatisho E na uhesabu radius ya shimo nyeusi ambayo ina molekuli sawa na Jua. (Kumbuka kuwa hii ni hesabu tu ya kinadharia. Jua haina molekuli ya kutosha kuwa shimo jeusi.)
2. Tuseme ulitaka kujua ukubwa wa mashimo meusi na raia ambao ni kubwa au ndogo kuliko Jua. Unaweza kwenda kupitia hatua zote katika zoezi la awali, kupigana na idadi kubwa ya idadi kubwa na exponents kubwa. Unaweza kuwa wajanja, hata hivyo, na kutathmini constants wote katika equation mara moja na kisha tu kutofautiana wingi. Unaweza hata kueleza wingi katika suala la wingi wa Jua na kufanya mahesabu ya baadaye rahisi sana. Onyesha kwamba tukio upeo wa macho equation ni sawa na kusema kwamba radius ya tukio upeo wa macho ni sawa na 3 km mara masi ya shimo nyeusi katika vitengo ya masi ya Jua.
3. Sisi e matokeo kutoka kwa zoezi la awali ili kuhesabu radius ya shimo nyeusi na wingi sawa na: Dunia, nyota kuu ya mlolongo wa B0, nguzo ya globular, na Galaxy ya Milky Way. Angalia mahali pengine katika maandishi haya na appendixes kwa meza ili kutoa data juu ya wingi wa vitu hivi vinne.
4. Kwa kuwa nguvu ya mvuto umbali mkubwa mbali na tukio upeo wa shimo jeusi ni sawa na ile ya kitu cha kawaida cha wingi sawa, sheria ya tatu ya Kepler halali. Tuseme kwamba Dunia ilianguka kwa ukubwa wa mpira wa golf. Je! Ni kipindi gani cha mapinduzi ya Mwezi, kinachozunguka umbali wake wa sasa wa kilomita 400,000? Tumia sheria ya tatu ya Kepler kuhesabu kipindi cha mapinduzi ya chombo cha angani kinachozunguka kwa umbali wa 6000 km.