Question

18．2016年2月11日，美國“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）團(tuán)隊向全世界宣布發(fā)現(xiàn)了引力波，這個引力波來自于距離地球13億光年之外一個雙黑洞系統(tǒng)的合并．已知光在真空中傳播的速度為c，太陽的質(zhì)量為M₀，萬有引力常量為G． 
（1）兩個黑洞的質(zhì)量分別為太陽質(zhì)量的26倍和39倍，合并后為太陽質(zhì)量的62倍．利用所學(xué)知識，求此次合并所釋放的能量． 
（2）黑洞密度極大，質(zhì)量極大，半徑很小，以最快速度傳播的光都不能逃離它的引力，因此我們無法通過光學(xué)觀測直接確定黑洞的存在．假定黑洞為一個質(zhì)量分布均勻的球形天體． 
a．因為黑洞對其他天體具有強(qiáng)大的引力影響，我們可以通過其他天體的運(yùn)動來推測黑洞的存在．天文學(xué)家觀測到，有一質(zhì)量很小的恒星獨(dú)自在宇宙中做周期為T，半徑為r₀的勻速圓周運(yùn)動．由此推測，圓周軌道的中心可能有個黑洞．利用所學(xué)知識求此黑洞的質(zhì)量M； 
b．嚴(yán)格解決黑洞問題需要利用廣義相對論的知識，但早在相對論提出之前就有人利用牛頓力學(xué)體系預(yù)言過黑洞的存在．我們知道，在牛頓體系中，當(dāng)兩個質(zhì)量分別為m₁、m₂的質(zhì)點(diǎn)相距為r時也會具有勢能，稱之為引力勢能，其大小為E_p=-G$\frac{{m}_{1}{m}_{2}}{r}$（規(guī)定無窮遠(yuǎn)處勢能為零）．請你利用所學(xué)知識，推測質(zhì)量為M′的黑洞，之所以能夠成為“黑”洞，其半徑R最大不能超過多少？

Answer 1

分析 （1）根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程求出合并釋放的能量．
（2）a、根據(jù)萬有引力提供向心力，結(jié)合軌道半徑和周期求出黑洞的質(zhì)量M．
b、抓住臨界狀態(tài)，即黑洞第二宇宙速度等于光速，物體脫離黑洞時速度恰好為0，結(jié)合能量守恒定律求出半徑R的最大值．

解答 解：（1）由題目敘述可知，兩個黑洞合并時類似于發(fā)生核聚變反應(yīng)，所釋放的能量來源于質(zhì)量虧損，
根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程得，△E=△mc²=（26+39-62）${M}_{0}•{c}^{2}$=$3{M}_{0}{c}^{2}$．
（2）a、由題目條件可知，質(zhì)量很小的恒星在其做圓周運(yùn)動的軌道中心的黑洞吸引力下運(yùn)動，則萬有引力提供恒星運(yùn)動的向心力，設(shè)恒星質(zhì)量為m，則有：
$G\frac{Mm}{{{r}_{0}}^{2}}=m{r}_{0}\frac{4{π}^{2}}{{T}^{2}}$，
解得M=$\frac{4{π}^{2}{{r}_{0}}^{3}}{G{T}^{2}}$．
b、這里需要閱讀前面關(guān)于黑洞的解釋，黑洞密度大，質(zhì)量極大，半徑很小，以最快速度傳播的光都不能逃離它的引力，物體想要逃離黑洞的，至少要達(dá)到黑洞的第二宇宙速度，根據(jù)題目敘述可知，黑洞的第二宇宙速度大于等于光速，物體脫離黑洞是指在黑洞產(chǎn)生的引力場中到達(dá)無窮遠(yuǎn)時速度依然大于等于0，對于臨界情況（黑洞第二宇宙速度等于光速，物體脫離黑洞時速度恰好為0），由能量守恒定律可知，
$\frac{1}{2}m{c}^{2}+（-G\frac{M′m}{R}）=0$，
解得$R=\frac{2GM′}{{c}^{2}}$．
答：（1）此次合并所釋放的能量為$3{M}_{0}{c}^{2}$．
（2）a、黑洞的質(zhì)量M為$\frac{4{π}^{2}{{r}_{0}}^{3}}{G{T}^{2}}$；
b、其半徑R最大不能超過$\frac{2GM′}{{c}^{2}}$．

點(diǎn)評 該題結(jié)合黑洞的物理現(xiàn)象考查萬有引力定律的應(yīng)用，并能夠與愛因斯坦質(zhì)能方程相結(jié)合，有較好的創(chuàng)新型，是一道理論聯(lián)系實際的好題．