经过用天文望远镜长期观测,人们在宇宙中已经发现了许多双星系统,通过对它们的研究,使我们对宇宙中物质的存在形式和分布情况有了较深刻的认识.双星系统由两个星体构成,其

◎ 题目

经过用天文望远镜长期观测,人们在宇宙中已经发现了许多双星系统,通过对它们的研究,使我们对宇宙中物质的存在形式和分布情况有了较深刻的认识.双星系统由两个星体构成,其中每个星体的线度都远小于两星体之间的距离.一般双星系统距离其他星体很远,可以当作孤立系统来处理.现根据对某一双星系统的光度学测量确定:该双星系统中每个星体的质量都是m,两者相距L,它们正围绕两者连线的中点做匀速圆周运动.
(1)试计算该双星系统的运动周期T计算
(2)若实际上观测到的运动周期为T观测,且T观测:T计算=1:

N
(N>1).为了解释T观测与T计算的不同,目前有一种流行的理论认为,在宇宙中可能存在一种望远镜观测不到的暗物质.作为一种简化模型,我们假定在以这两个星体连线的中点为圆心、
L
4
为半径的一个球体内均匀分布着这种暗物质.若不考虑其他暗物质的影响,请根据这一模型和上述观测结果确定该星系间这种暗物质的密度.(球的体积V=
4
3
πr3
,式中r为球半径)

◎ 答案

(1)由于每个星体的线度都远小于两星体之间的距离,满足万有引力定律的使用条件.
双星均绕它们连线的中点做匀速圆周运动,其运动的周期为T计算,万有引力提供向心力:
Gm2
L2
=m?(
T计算
)2?
L
2

解得 T计算=πL

2L
Gm

(2)根据观测结果,星体的运动周期  T观测=
1

N
T计算
(N>1).
这种差异是由双星间均匀分布的暗物质引起的.设均匀分布在半径为
L
4
的球体内的暗物质的总质量为m'.考虑暗物质作用后双星的周期即为观测到的周期T观测,则有
Gm2
L2
+G
mm′
(
L
2
)
2
=m?(
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