Question

【題目】在有“科學(xué)奧斯卡”之稱的美國《科學(xué)》雜志2003年度世界科技大突破評選中，物理學(xué)中的“證明宇宙是由暗物質(zhì)和暗能量‘主宰’”的觀點名列榜首，成為當今科技突破中的頭號熱點．世界科技的發(fā)展顯示，暗物質(zhì)、暗能量正成為天體物理學(xué)研究的重點．宇宙的暗物質(zhì)是不能直接觀測到的東西，存在的依據(jù)來自于螺旋轉(zhuǎn)的星系和星團，這些星系和星團以自身為中心高速旋轉(zhuǎn)而沒有分散開去，僅靠自身質(zhì)量產(chǎn)生的引力遠不足以把它們集合在一起的，一定存在暗物質(zhì)，它的吸引力足以把這些旋轉(zhuǎn)的星系牢牢抓住，根據(jù)對某一雙星系統(tǒng)的光學(xué)測量確定該雙星系統(tǒng)中每一個星體的質(zhì)量都是M，兩者相距L（L遠大于星體的直徑），它們正圍繞兩者連線的中點做圓周運動．
（1）若沒有其他物質(zhì)存在，試推斷該雙星系統(tǒng)的運動周期T ．
（2）若試驗上觀測到的運動周期為T′，且T′：T=1： （N＞1），為了解釋觀測周期T′和（1）中理論上推算的雙星運動的周期T不同，目前有一種理論認為，在宇宙中可能存在一種用望遠鏡也觀測不到的暗物質(zhì)，作為一種簡化模型，我們假定在以這兩個星體連線為直徑的球體內(nèi)均勻分布著這種暗物質(zhì)，而不考慮其他暗物質(zhì)的影響，試根據(jù)這一模型和上述觀測結(jié)果確定該星系間這種暗物質(zhì)的密度．

Answer 1

【答案】
（1）

由萬有引力提供向心力有： ①

解得T=πL

（2）

設(shè)暗物的密度為ρ，質(zhì)量為m，則

m=ρ0.75π =πρ

再由萬有引力提供向心力有： ②

由 得

又m=πρ 代入上式解得：

ρ=

【解析】（1）雙星系統(tǒng)圍繞兩者連線的中點做圓周運動，相互間萬有引力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律求解運動周期T ． （2）假定在以這兩個星體連線為直徑的球體內(nèi)均勻分布著這種暗物質(zhì)，雙星系統(tǒng)就由相互間的萬有引力的暗物質(zhì)的引力的合力提供向心力，由牛頓第二定律求出暗物質(zhì)的質(zhì)量，再求解其密度．