Gravitasjonell rødforskyvning og tidsdilatasjon ved nøytronstjerne

Del 2, alle hjelpemidler

Gravitasjonell rødforskyvning og tidsdilatasjon ved nøytronstjerne

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Fra overflata av nøytronstjerna J0740+6620 sendes det ut fotoner med frekvens fe. Radien til stjerna R=1,239⋅104 m. Ved overflata av stjerna er gravitasjonsfeltstyrken 1,80⋅1012 m/s2.

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Vis at massen til nøytronstjerna M=4,14⋅1030 kg.

Formelen nedenfor viser sammenhengen mellom frekvensen fe til strålingen som sendes ut fra overflata av stjerna, og frekvensen fr som kan observeres på stor avstand fra stjerna.

fr=fe1−2γMRc2
Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Vis at forholdet mellom frekvensen til fotonene som observeres utenfor gravitasjonsfeltet til stjerna, og frekvensen til fotonene som sendes ut fra overflata, er 0,71.

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

En hendelse på overflata varer i ett år. Hvor lenge vil en observatør utenfor gravitasjonsfeltet til stjerna oppleve at den samme hendelsen varer?

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Vurder om svarene på b og c er i tråd med generell relativitetsteori.

Fasit

M=4,14⋅1030 kg (vist)

frfe=0,710≈0,71 (vist)

Δt=1,4 år

Ja. Lys som går ut av et gravitasjonsfelt, får lavere frekvens, og klokker går langsommere der gravitasjonsfeltet er sterkere.

LøsningsforslagKI-generert

Gravitasjonsfeltstyrken ved overflata av en kuleformet masse er

g=γMR2

Vi løser for M:

M=gR2γ=1,80⋅1012 m/s2⋅(1,239⋅104 m)26,67⋅10−11 Nm2/kg2=4,14⋅1030 kg

Vi deler formelen på fe og setter inn:

frfe=1−2γMRc2=1−2⋅6,67⋅10−11 Nm2/kg2⋅4,14⋅1030 kg1,239⋅104 m⋅(3,00⋅108 m/s)2frfe=1−0,495=0,710

Forholdet er 0,71.

Frekvensen forteller hvor mange svingninger som skjer per tid. La lyset fra overflata svinge n ganger mens hendelsen varer. Målt med en klokke på overflata tar det Δte=1 år, og målt av observatøren langt borte tar de samme n svingningene tiden Δtr:

n=feΔte=frΔtr

Dermed er

Δtr=fefrΔte=1 år0,710=1,4 år

I generell relativitetsteori følger det av ekvivalensprinsippet at klokker går langsommere jo dypere de er i et gravitasjonsfelt (gravitasjonell tidsdilatasjon), og at lys som beveger seg ut av et gravitasjonsfelt, blir rødforskjøvet.

  • Svaret i b: fr<fe, altså observerer vi lyset med lavere frekvens (lengre bølgelengde) langt borte. Det er gravitasjonell rødforskyvning, i tråd med teorien.
  • Svaret i c: Hendelsen varer lengre sett fra observatøren langt borte enn målt med en klokke på overflata. Tiden går altså langsommere på overflata, der gravitasjonsfeltet er sterkt, i tråd med teorien. En observatør på overflata merker ikke noe spesielt: for henne varer hendelsen ett år.
  • Størrelsen: Effektene er svært store fordi 2γMRc2≈0,5. Schwarzschild-radien til stjerna er 2γMc2=6,1 km, og stjerneradien er bare omtrent dobbelt så stor. Ved jordoverflata er det tilsvarende forholdet av størrelsesorden 10−9, så der er effektene bittesmå. At en så kompakt stjerne gir så kraftig rødforskyvning og tidsdilatasjon, er rimelig. Hadde R vært lik Schwarzschild-radien, ville fr blitt null, som for et sort hull.

Svarene i b og c er derfor i tråd med generell relativitetsteori.

Forstå oppgaven med en KI

Du får en ferdig tekst du limer inn i den KI-chatboten du bruker. Teksten inneholder oppgaven og en instruks om at chatboten skal hjelpe deg å tenke selv — stille spørsmål, gi ett hint av gangen og la deg gjøre regningen.

Anbefalt. Chatboten får beskjed om å bruke det til å veilede deg riktig vei — ikke til å røpe svaret. Du kan slå det av hvis du vil være helt sikker på at ingenting lekker.

Hva du bør vite
  • Ingenting sendes herfra. Teksten kopieres bare til utklippstavla på enheten din. Det du limer inn i en chatbot, går til den tjenesten — og de har sine egne regler for hva de lagrer.
  • Ikke lim inn personopplysninger — navn, skole eller noe annet om deg selv eller andre. Oppgaveteksten holder.
  • KI kan ta feil, også i fysikk. Sjekk alltid mot løsningsforslaget her på siden.
  • Er du usikker på om du har lov til å bruke KI på skolearbeidet ditt, spør læreren din først.
Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Fysikk 2 V2023. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Faktavedlegg · Formelvedlegg · Programmeringsvedlegg

Tastatursnarveier

Navigasjon

⌘K / Ctrl+K
Åpne søk
G F
Gå til Fag
G E
Gå til Eksamener
G T
Gå til Temaer
G K
Gå til Kompetansemål
G H
Hjem
?
Vis snarveier

I oppgave

←/→ · J/K
Forrige / neste oppgave
0
Marker som ikke prøvd
1
Marker som prøvd
2
Marker som trenger hjelp
3
Marker som ferdig
S
Vis / skjul løsningsforslag
A
Legg til i liste
N
Skriv notat
Esc
Tilbake / avslutt