czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/czarne...
TRANSCRIPT
![Page 1: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/1.jpg)
Czarne dziuryi fale grawitacyjne
dr Krzysztof Rochowicz
Zakład Dydaktyki Fizyki UMK
![Page 2: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/2.jpg)
Wszechświat jest ogromny. Do bólu piękny. Zdumiewająco prosty pod pewnymi względami, a pod innymi – misternie złożony.
Kip Thorne
![Page 3: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/3.jpg)
Soczewki grawitacyjne
![Page 4: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/4.jpg)
„Materia mówi przestrzeni jak się wygiąć; przestrzeń mówi materii, jak się poruszać.”
John Archibald Wheeler
![Page 5: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/5.jpg)
Ogólna teoria względności
Formułowana w latach 1907-15,wiąże geometrię czasoprzestrzeni z rozkładem materii.
• Kłopoty z klasyczną teorią grawitacji w XIX w. – np. ruch peryhelium Merkurego: 43”/100 lat
![Page 6: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/6.jpg)
Potwierdzenie OTW
• Wyprawa Eddingtona na Wyspę Książęcą w celu obserwacji całkowitego zaćmienia Słońca
• Publiczne ogłoszenie: 6.11.1919 na posiedzeniu Royal Society
• The Times: Rewolucja w nauce
![Page 7: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/7.jpg)
Mikrosoczewkowanie:od MACHO do planet
![Page 8: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/8.jpg)
1 rok świetlny – 62 000 j.a.
Zdjęcie w podczerwieniObserwatorium Kecka
Tysiące gwiazdw objętości 1 roku świetlnego
Co się kryje w centrumDrogi Mlecznej?
![Page 9: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/9.jpg)
CentrumGalaktyki:
ruch gwiazdpo eliptycznychorbitachkeplerowskich
![Page 10: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/10.jpg)
8 000 j.a.
Pozycje 6 gwiazd wokółCentrum Galaktyki
Okres obserwacji - 8 latDokładność pomiaru 0.002 sekundy łuku
Obserwatorium Kecka
![Page 11: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/11.jpg)
1300 j.a.
Dokładność pomiaru 0.002 sekundy łukuOkres obiegu P=15 latPółoś wielka a = 850 j.a.
Sky Telescope 2003
Okres obiegu Słońca wokół centrum Galaktyki to 220 mln lat
Jaka jest masa obiektu w ognisku ?
![Page 12: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/12.jpg)
1300 j.a.
Okres obiegu P=15 lat
Półoś wielka a = 850 j.a.
Sky Telescope 2003
SM
P
agm
CM
6107.2
215
3850
2
3
MC 3 miliony mas Słońcaw objętości kilku Słońc
III Prawo Keplera
![Page 13: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/13.jpg)
Koncepcja czarnej dziuryCiało o masie M i promieniu R wytwarza pole grawitacyjne, któreprzyciąga inne ciało o masie m. Energia potencjalna tego przyciąganiana powierzchni ciała o masie M wynosi
G jest stała grawitacyjną.
Aby ciało o masie m mogło uciec z powierzchni ciała o masie Mjego energia kinetyczna
2/2mvEk v jest prędkością ucieczki
musi być większa niż energia potencjalna przyciągania grawitacyjnego.
Ponieważ największą możliwą prędkością w przyrodzie jest prędkośćświatła v=c, więc promień masywnego ciała z którego nawet światło niemoże uciec ( promień Schwarzschilda ) wynosi
RGMmEg /
sS MMkmcGMR /)3(/2 2
Obiekt o masie M i promieniu nazywa się czarną dziurą.Dla masy Słońca promień czarnej dziury wynosi 3 km.
SR
![Page 14: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/14.jpg)
Polecane filmy edukacyjne:
• Black Holes Explained – część I i część II
![Page 15: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/15.jpg)
Gdzie i jak szukać czarnych dziur ?
• Tam, gdzie nic nie widać – np. poprzez efekty soczewkowania grawitacyjnego.
Ogromna część obserwowanych źródeł rentgenowskich
i gamma zawiera czarne dziury!
• Tam, gdzie jest jasno!
Świecą w tym wypadku oczywiście nie czarne dziury, a otaczająca je materia!
![Page 16: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/16.jpg)
Obiekty astronomiczne zawierające czarne dziury
Znaczna część rentgenowskich układów podwójnych, typowe masy „pogwiazdowych” czarnych dziur: 10-25 Ms
![Page 17: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/17.jpg)
Supermasywne – jądra galaktyk
![Page 18: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/18.jpg)
Fale grawitacyjne - odkrycie• 14 września 2015 (obserwacja)
czy 11 lutego 2016 (publikacja) ?
• Tak naprawdę: 1974 – odkrycie pulsara podwójnego PSR B1913+16 (Hulse, Taylor –Nagroda Nobla 1993)
• Okres 7,5 godziny, separacja składników: 1.1-4.8 R Słońca
• Skracanie okresu: 76.5 µs/rok odpowiada emisji fal o mocy 7,35∙1024 W (orbita zacieśnia się o 3,5 m/rok, za 300 mln lat utworzy się jeden obiekt)
![Page 20: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/20.jpg)
LIGO – Laser InterferometerGravitational-Wave Observatory
![Page 21: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/21.jpg)
Sygnał zarejestrowany 14.09.2015
![Page 22: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/22.jpg)
Obiekty wyjściowe i końcowy –dopasowanie modelu
![Page 23: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/23.jpg)
![Page 24: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/24.jpg)
Zestawienie dotychczasowych detekcji
![Page 25: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/25.jpg)
![Page 26: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/26.jpg)
![Page 27: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/27.jpg)
Polecane źródła internetowe:
• Strony LIGO, Virgo, Nagrody Nobla 2017
• NuSTAR Bringing the High Energy Universe into Focus – for teachers
• NASA: Black Hole Math Educator Guide(+Space Math, Solar Math, Lunar Math etc.)!!!
• TED - How to take a picture of a black hole
• Zaglądanie w ciemność – modelowanie czarnych dziur w szkole podstawowej
![Page 28: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/28.jpg)
Poniżej zdjęcie czarnej dziury:
![Page 29: Czarne dziury i fale grawitacyjnedydaktyka.fizyka.umk.pl/komputery_2017/materialy/Czarne dziury2.pdf · Ogólna teoria względności Formułowana w latach -15, wiąże geometrię](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062601/5c79319209d3f2c9458bfc2a/html5/thumbnails/29.jpg)
Dziękuję za uwagę!