Processing math: 100%

Soluções Astronomia - Semana 81

(INICIANTE)

a) A figura a seguir representa a situação limite em que a luz solar começa a chegar ao fundo do balde.

Tomando o centro do Sol como o ponto em que sua altura é medida, a maior distância zenital para a situação ocorrer é zmax=θ+D/2.
O ângulo θ descrito na imagem é o maior ângulo para o qual os raios (paralelos) do Sol conseguem atingir o fundo do balde sem serem bloqueados pela sua parede, e tem o valor de θ=arctan(Dh)=3058. Assim, a altura mínima para a situação ocorrer deve ser de: amin=90zmax=5947.

b) Durante o equinócio, o Sol se encontra sobre o equador celeste, e então vale a relação: cos(zmax)=cos(ϕ)cos(H), o que implica em um ângulo horário de H=1h37m. Então, o tempo que o baldinho terá seu fundo iluminado é de 2H=3h15m.

(INTERMEDIÁRIO)

a) A energia luminosa que a vela recebe por unidade de tempo, vale

ΔEΔt=fA=L4πr2A

Sabe-se também que a energia de um fóton obedece a relação E=cpf.
Finalmente, utilizando a definição de força F=ΔpΔt, é possível estabelecer que

F=E/c(E/c)ΔtAˆr=2AcLSol4πr2ˆr

O fator de 2 surge do fato de que, após a colisão, o fóton é refletido, e então, por conservação de momento, Δp=2pf

b) Sim, o momento angular é de fato conservado, pois a força exercida pela radiação, assim como a gravitacional, é sempre radial. Isso pode ser provado mais formalmente da seguinte forma:

L=m(r×v)
dLdt=drdt×p+r×dpdt

dLdt=v×p+r×F

Como p possui a mesma direção de v,v×p=0, e sendo F uma força radial, r×F=0. Assim, dLdt=0, então L de fato conserva.

c) A força exercida pela radiação tem um comportamento similar à gravitacional, com a diferença sendo o seu sentido. Então, o potencial associado deve ser da forma U=LSolAc4πr, assim, por conservação de energia:

mv2r,02+L22mr20mMGr0+LSolAc4πr0=mv2r2+L22mr2mMGr+LSolAc4πr

mω20r0mMGr0+LSolAc4πr0=mv2r2

mMG2r0+LSolAc4πr0=mv2r2

vr=LSolAmc2πr0MGr0=15,5km/s

(AVANÇADO)

a) A área do buraco negro assumirá a relação:

AGαcβMγ[A]=[G]α[c]β[M]γ

Em termos das unidades:

L2=(L3MT2)α(LT)βMγ

Equação com respeito a L: 3α+β=2
Equação com respeito a T: 2αβ=0
Equação com respeito a M: α+γ=0
Resolvendo o sistema, obtém-se α=2, β=4 e γ=2
Assim:

AG2M2c4

O que vai de acordo com a área calculada através do raio de Schwarzchild:

A=4πR2s=16πG2M2c4

Mas que não será usada na resolução.
Quanto a entropia, esta assume dimensões de [Q][T]=ML2θT2, sendo θ uma unidade de temperatura. De forma similar à área:

S(GαcβγkδB)A

ML2θT2=(L3MT2)α(LT)β(ML2T)γ(ML2θT2)δL2

Equação com respeito a L: 3α+β+2γ+2δ=0
Equação com respeito a T: 2αβγ2δ=2
Equação com respeito a M: α+γ+δ=1
Equação com respeito a θ: δ=1
Resolvendo o sistema, obtém-se α=1, β=3, γ=1 e δ=1
Assim:

S(kBc3G)A(kBc3G)(G2M2c4)

O que vai de acordo com o resultado obtido por Hawking S=kBc34GA

b) Por rigor, vamos estabelecer uma constante adimensional K na expressão da entropia para que a proporcionalidade seja na prática uma igualdade.

S=K(kBc3G)(G2M2c4)=K(kBGc)M2

S+ΔS=K(kBGc)(M+ΔM)2=K(kBGc)M2(1+ΔMM)2

S+ΔS=K(kBGc)M2+K(kBGc)2MΔM

ΔS=K(kBGc)2MΔM

ΔS(kBGc)MΔM

 

c) Da equação E=mc2, se estabelece que ΔU=c2ΔM. E de acordo com a primeira lei da termodinâmica (ΔU=TΔS+W):

c2ΔM=TΔS

d) Relacionando as duas equações, obtém-se:

Tc2=ΔMΔS(ckBG)1M

Tc3kBGM

T=ηc3kBGM

O que também vai de acordo com o resultado obtido por Hawking T=ηc38πGkBM

e) Substituindo os dados experimentais na equação da temperatura, obtém-se que:

η=TMGkBc3=0,0418π

Para o caso de Sagittarius A:

TS=ηc3kBGM=1,541014K