Тест по астрономии: Белые карлики, нейтронные звёзды, пульсары и чёрные дыры (10-11 класс)
Тест по астрономии «Белые карлики, нейтронные звёзды, пульсары и чёрные дыры» для 10-11 классов — это проверочная работа высокого уровня сложности, предназначенная для контроля знаний учащихся о финальных стадиях звездной эволюции. Вопросы охватывают физическую природу компактных объектов, историю их открытия и теоретического предсказания, а также методы их обнаружения.
1
Какое утверждение о плотности белых карликов является верным?
Правильный ответ:
Она составляет сотни килограммов (до тонн) в кубическом сантиметреПояснение:
Правильный ответ — Она составляет сотни килограммов в кубическом сантиметре. Белые карлики — это компактные остатки звезд с массой, близкой к солнечной, но размером с Землю. Это приводит к огромной средней плотности, превышающей плотность обычных земных металлов в миллионы раз. Атомы в таких условиях «раздавлены», и вещество находится в состоянии вырожденного электронного газа.2
Кто из ученых теоретически предсказал существование нейтронных звезд еще в 30-е годы XX века?
Правильный ответ:
Л. Д. ЛандауПояснение:
Правильный ответ — Л. Д. Ландау. Знаменитый советский физик-теоретик Лев Ландау рассчитал, что при определенных условиях (под действием колоссального давления в недрах массивных звезд) электроны могут быть захвачены протонами, образуя нейтроны. Это приводит к формированию сверхплотной звезды, состоящей из ядерной материи.3
Что представляет собой пульсар с точки зрения современной астрофизики?
Правильный ответ:
Быстро вращающаяся нейтронная звезда с сильным магнитным полемПояснение:
Правильный ответ — Быстро вращающаяся нейтронная звезда с сильным магнитным полем. Пульсары испускают узконаправленные пучки радиоизлучения с магнитных полюсов. Из-за вращения звезды эти пучки периодически «чиркают» по Земле, создавая эффект маяка. Стабильность импульсов обусловлена огромной инерцией массивной и компактной звезды.4
Каков физический смысл гравитационного радиуса (радиуса Шварцшильда)?
Правильный ответ:
Это радиус, при котором вторая космическая скорость равна скорости светаПояснение:
Правильный ответ — Это радиус, при котором вторая космическая скорость равна скорости света. Если небесное тело сжать до размеров гравитационного радиуса (Rg=2GM/c2R_g = 2GM/c^2Rg=2GM/c2), то скорость, необходимая для преодоления его тяготения, станет равной скорости света. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, такой объект становится черной дырой, которую не может покинуть никакая информация.5
Какой объект был первым открытым пульсаром?
Правильный ответ:
PSR 1919 в созвездии ЛисичкиПояснение:
Правильный ответ — PSR 1919. Этот радиоисточник был обнаружен в 1967 году. Строгая периодичность импульсов (около 1,33 секунды) сначала навела ученых на мысль об искусственном сигнале (LGM — Little Green Men), но позже была доказана его естественная природа как вращающейся нейтронной звезды.6
Чем объясняется рентгеновское излучение, исходящее из окрестностей черной дыры в двойной системе?
Правильный ответ:
Нагревом газа в аккреционном диске до миллионов градусовПояснение:
Правильный ответ — Нагревом газа в аккреционном диске. Черная дыра своим тяготением срывает вещество с соседней звезды. Падая на дыру, газ закручивается, образуя диск. Из-за трения слоев газа друг о друга при огромных скоростях вращения вещество разогревается до сверхвысоких температур и начинает излучать в рентгеновском диапазоне.7
Чему примерно равен радиус нейтронной звезды?
Правильный ответ:
Около 10–20 кмПояснение:
Правильный ответ — Около 10–20 км. Несмотря на массу, сравнимую с солнечной или превышающую её, нейтронная звезда сжата до размеров небольшого города. Это следствие коллапса ядра массивной звезды, при котором плотность вещества достигает плотности атомного ядра (101710^{17}1017 кг/м³).8
Что такое предел Чандрасекара?
Правильный ответ:
Максимальная масса белого карлика (около 1,4 массы Солнца)Пояснение:
Правильный ответ — Максимальная масса белого карлика. Субраманьян Чандрасекар доказал, что давление вырожденного электронного газа может уравновешивать гравитацию только если масса звезды не превышает примерно 1,4 массы Солнца. Если масса выше, белый карлик не может существовать и коллапсирует дальше.9
Какой ученый XVIII века первым высказал идею о существовании тел, притяжение которых не может преодолеть свет?
Правильный ответ:
Пьер-Симон ЛапласПояснение:
Правильный ответ — Пьер-Симон Лаплас. Основываясь на корпускулярной теории света и законе всемирного тяготения, Лаплас (и независимо от него Джон Мичелл) рассчитал, что сферическое тело с плотностью Земли и диаметром в 250 раз больше Солнца будет иметь вторую космическую скорость выше скорости света, и потому будет невидимым для внешнего наблюдателя.10
Каков основной источник энергии, за счет которого светят белые карлики?
Правильный ответ:
Запас тепловой энергии, накопленный на предыдущих этапах эволюцииПояснение:
Правильный ответ — Запас тепловой энергии. В белых карликах термоядерные реакции уже не идут. Они представляют собой «остывающие угли» — очень горячие ядра погибших звезд. Они светят только потому, что медленно отдают накопленное тепло. Со временем (за миллиарды лет) они остывают и превращаются в невидимые черные карлики.11
Примерно во сколько раз вторая космическая скорость на поверхности нейтронной звезды меньше скорости света?
Правильный ответ:
Примерно в 1,5–2 раза (составляет около 0,6 скорости света)Пояснение:
Правильный ответ — Примерно в 1,5–2 раза (0,6 c). Вторая космическая скорость для нейтронной звезды массой с Солнце и радиусом 10 км составляет около 170 000 км/с. Это релятивистская скорость, сравнимая со скоростью света (300 000 км/с), что говорит о колоссальной гравитации на поверхности такого объекта.12
Как называется объект в созвездии Лебедя, являющийся одним из самых известных кандидатов в черные дыры?
Правильный ответ:
Лебедь X-1Пояснение:
Правильный ответ — Лебедь X-1. Это яркий рентгеновский источник, открытый в 1964 году. Он представляет собой тесную двойную систему, где массивная невидимая компонента (черная дыра массой около 15–20 солнечных) вытягивает вещество из голубого сверхгиганта, образуя горячий аккреционный диск.13
Из каких частиц преимущественно состоит вещество нейтронной звезды?
Правильный ответ:
Из плотно упакованных нейтроновПояснение:
Правильный ответ — Из плотно упакованных нейтронов. При коллапсе ядра массивной звезды давление возрастает настолько, что электроны вдавливаются в протоны (обратный бета-распад), образуя нейтроны. Нейтроны, будучи электрически нейтральными, могут сближаться до расстояний порядка 10−1510^{-15}10−15 м, создавая сверхплотное вещество.14
Какое название получили первые открытые пульсары до выяснения их истинной природы?
Правильный ответ:
LGM (Little Green Men — Маленькие Зелёные Человечки)Пояснение:
Правильный ответ — LGM. Идеальная периодичность сигналов (до долей секунды) наводила на мысль об искусственном маяке внеземной цивилизации. Поэтому в шутку (а отчасти и всерьез) первооткрыватели обозначили источники как LGM-1, LGM-2 и т.д., пока не было доказано, что это естественные вращающиеся объекты.15
Какова примерно средняя плотность вещества белого карлика, например, Сириуса B?
Правильный ответ:
Сотни килограммов (до тонн) в кубическом сантиметреПояснение:
Правильный ответ — Сотни килограммов в кубическом сантиметре. Плотность Сириуса B превышает 100 кг/см³ (в миллионы раз плотнее воды). Это промежуточное состояние между обычным веществом и нейтронной материей, где атомные ядра погружены в плотный газ вырожденных электронов.16
Какая сила удерживает белые карлики от дальнейшего гравитационного сжатия?
Правильный ответ:
Давление вырожденного электронного газаПояснение:
Правильный ответ — Давление вырожденного электронного газа. Это квантовый эффект, описанный принципом Паули: электроны не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. При высокой плотности они начинают двигаться с огромными скоростями, создавая давление, которое не зависит от температуры и уравновешивает гравитацию.17
Чему равен гравитационный радиус для объекта с массой Солнца?
Правильный ответ:
3 кмПояснение:
Правильный ответ — 3 км. Если подставить массу Солнца (M≈2⋅1030M approx 2 cdot 10^{30}M≈2⋅1030 кг) и физические константы в формулу Шварцшильда Rg=2GM/c2R_g = 2GM/c^2Rg=2GM/c2, результат будет равен примерно 2,95 км, что обычно округляют до 3 км. Это размер, до которого нужно сжать Солнце, чтобы оно стало черной дырой.18
С какой точностью современные атомные часы могут сравниться со стабильностью периода некоторых пульсаров?
Правильный ответ:
Стабильность пульсаров сопоставима со стабильностью атомных часовПояснение:
Правильный ответ — Стабильность пульсаров сопоставима со стабильностью атомных часов. Период вращения нейтронной звезды меняется очень медленно из-за потери энергии, но на коротких промежутках времени он чрезвычайно постоянен. Это позволяет использовать пульсары как точнейшие природные хронометры.19
Почему астрономы называют невидимый компонент системы Лебедь X-1 именно черной дырой, а не нейтронной звездой?
Правильный ответ:
Потому что его масса (около 10 солнечных) значительно превышает предел массы для нейтронных звездПояснение:
Правильный ответ — Потому что его масса превышает предел для нейтронных звезд. Теоретический предел массы нейтронной звезды (предел Оппенгеймера — Волкова) составляет около 2,5–3 масс Солнца. Объект с массой 10 солнечных масс не может существовать как нейтронная звезда и неизбежно должен коллапсировать в черную дыру.20
Какой процесс происходит при формировании нейтронной звезды из ядра массивной звезды?