Gravitasjonell rødforskyvning og tidsdilatasjon ved nøytronstjerne
Lov på eksamen
- Kalkulator
- CAS
- Graftegner og regneark
- Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kan den løses uten PC?
Alle deloppgavene kan løses uten PC.
Fra 2027 er det bare kalkulator og skriftlige hjelpemidler på del 2. Vurderingen er gjort med KI og kan inneholde feil.
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Fra overflata av nøytronstjerna J0740+6620 sendes det ut fotoner med frekvens . Radien til stjerna . Ved overflata av stjerna er gravitasjonsfeltstyrken .
Vis at massen til nøytronstjerna .
Formelen nedenfor viser sammenhengen mellom frekvensen til strålingen som sendes ut fra overflata av stjerna, og frekvensen som kan observeres på stor avstand fra stjerna.
Vis at forholdet mellom frekvensen til fotonene som observeres utenfor gravitasjonsfeltet til stjerna, og frekvensen til fotonene som sendes ut fra overflata, er .
En hendelse på overflata varer i ett år. Hvor lenge vil en observatør utenfor gravitasjonsfeltet til stjerna oppleve at den samme hendelsen varer?
Vurder om svarene på b og c er i tråd med generell relativitetsteori.
Fasit
(vist)
(vist)
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
Vi løser for :
Vi deler formelen på og setter inn:
Forholdet er .
Frekvensen forteller hvor mange svingninger som skjer per tid. La lyset fra overflata svinge ganger mens hendelsen varer. Målt med en klokke på overflata tar det , og målt av observatøren langt borte tar de samme svingningene tiden :
Dermed er
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: , 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 . Schwarzschild-radien til stjerna er , og stjerneradien er bare omtrent dobbelt så stor. Ved jordoverflata er det tilsvarende forholdet av størrelsesorden , så der er effektene bittesmå. At en så kompakt stjerne gir så kraftig rødforskyvning og tidsdilatasjon, er rimelig. Hadde vært lik Schwarzschild-radien, ville blitt null, som for et sort hull.
Svarene i b og c er derfor i tråd med generell relativitetsteori.
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