AST201- W3 - Black Holes and the Sun - Jan 21&23,14.docx

13 Pages
Unlock Document

University of Toronto St. George
Astronomy & Astrophysics
Michael Reid

Black Holes 01/13/2014 AST201 Week 3 Tues. Jan 21 – Lecture 5 Lecture Notes Gravitational lensing – light bends around the masses from bent space – not from Newtons Law but from  general relativity In newtons law light would normally travel space  General relativity bends space and time – bent space = bent light Throwing stuff to earth Launching things into orbit – if there was no floor, throwing a water bottle fast enough, it will ‘miss’  the far side of the earth and complete an orbit would launch it into the orbit of the earth and  make it complete the orbit in a full circle (V,orbital) – depends on what height you throw it from If you throw it super fast, the object would miss the earth at an equal point all the way around (donut ring)  If you throw it EXTREMELY fast, it would escape earths gravity, at escape speed Only 1 minimum speed to orbit (red) Elliptical orbits (yellow) Circular orbit (green) Elliptical orbits (blue) Escape speed (pink) Q: if I throw a ball with a speed just a little larger than the escape speed, what shape will its orbit be? A:  open – not a closed loop at all Escape speed from Earth surface is about 11km/s Escape speed goes up if you compress the earth – it gets smaller and more compressed so you are closer  to the center of gravity Escape speed from the surface of an object goes up as it gets smaller What would happen to the escape speed if we kept crushing the earth smaller and smaller? A: the escape  speed would go up and up, and once it reaches the speed of light, nothing can get away from the earth!!! An object with an escape speed of c is a black hole Called black hole because the light goes in but none comes out Black hole is an object which bends space time – bends space as much as it can bend Anything with high enough density that its escape speed has reached the speed of light  “Singularity” – density is infinite Event horizon is like a border between countries: nothing physically there. Q: If we add mass to a black hole, the black hole will: A: get larger If the sun became a black hole    Jan 21 Lecture Reading Notes 01/13/2014 Reading Notes Sections 18.3, 19.4 Figures 18.12, 18.14, 18.15, 19.20, 19.21, 19.22 Key Notes: Observational evidence for black holes Describe the observational evidence for the existence of black holes, including the black hole at the center  of our galaxy  Draw a diagram to explain gravitational lensing and relate it to observational evidence for the  existence of black holes  Distinguish between stellar­mass and supermassive black holes  Describe what would happen to Earth if the Sun was replaced by a 1 solar mass black hole  Estimate the physical size of black holes of different masses (e.g. 1 solar mass, 25 solar masses, 1 million  solar masses)  18.3 Black Holes: Gravity’s Ultimate Victory ­see reading notes from Jan. 16 19.4 The Mysterious Galactic Center What lies in the center of our galaxy? Within 1000 light­years of the center, we find swirling clouds of gas and a cluster of several million stars Exact center has radio emissions named Sagittarius A* (A­star) Sgr A* contains a few million solar masses within a tiny region of space According to Kepler's 3rd law ­ object must have mass of about 4 million solar masses in a region just larger  than our solar system Astronomers believe that since Sgr A* has such a huge mass, there must be a very massive black hole Behaviour is puzzling ­ most black holes accumulate matter through accretion disks that radiate brightly in X  rays. However X ray emission from Sgr A* is rather faint  Generally low X­ray brightness – may be that matter falls into it in big chunks instead of smooth, swirling  flow of an accretion disk Jan 21 Tutorial 01/13/2014 Tutorial Notes Jan 21 Tutorial 01/13/2014 Madhulla is feeling weightless, which is most correct? She is in free fall due to gravity OR? A: moving at  constant velocity Which escape velocity is the highest? The escape velocity at? A: c­the surface of a planet of the same  radius, but has twice the mass of earth What does “escape speed” of the earth mean? What determines the escape speed of the earth at its  surface? A: Speed you need to escape the orbit of a large mass The mass determines it – the heavier the mass the stronger the orbit (gravitational pull) and depends on  how strong the gravity is Can the escape speed of a body be larger than the speed of light? If so, what can escape from such a  body? A: No – nothing can be faster than the speed of light – invariant Nothing can escape from such a body What is the “schwarzchild radius” of a black hole? What is special about the schwarzchild radius? A:  Schwarzchild radius ­ size of a black hole (how big the event horizon is) radius of the event horizon is known as the Schwarzschild radius (event horizon is the area around  black hole) depends only on its mass a black hole with the mass of the sun has a Schwarzschild radius of 3km What is the “event horizon” of a black hole? What is special about the event horizon? What is physically  located at the event horizon? A: event horizon = point of no return time slows down with increased speed so if someone gets sucked into a black hole, from the outside it  looks like they aren’t moving from inside the black hole you can see the whole universe –because light goes in but never escapes so  from outside you cant see the whole universe nothing physical located at event horizon Jan 21 Tutorial 01/13/2014 TRUE OR FALSE:  Black holes are dangerous and suck up matter from the universe Would we be sucked into the black hole of the sun (sun replaced by black hole) A: NO because the  distance from sun to earth is much larger than the schwarzchild radius of the sunblack hole would be Do the following situations feel different? A) you are on earth feeling 9.8m/s2 acceleration. B) you are on a  spaceship that is accelerating at 9.8m/s2 A: NO Do the following situations feel different? A) you are in free fall towards the earth. B) you are travelling at a  constant velocity in an empty universe with nothing in it. A:  How would Newton explain why a satellite is orbiting earth? A: Newtons law of force and motion – force of  gravity and mass of the earth making the motion of orbit Jan 23 Ast201 Lecture 01/13/2014 Thurs. Jan 23 – Lecture 6 Lecture Notes In the skies today.. a supernova! ­in galaxy M82 ­a supernova is an exploding star (see chart for the last few supernova that we've been able to see) ­when this happens, we try to figure out what stars blew up bc sometimes they think it already blew up they  just didn't capture it  ­the smudge of light in 'a new supernova in a nearby galaxy' slide is a galaxy; and one star is able to output  as much light as billions of other stars in that galaxy ­supernovae are the second­most powerful kind of explosion that can happen in the universe, it is a star  tearing itself apart in just a few seconds ­so in the case of the supernova of this week, we can see the M82 galaxy bc of the supernova which makes  it so much brighter than before  ­go to the link that he sent us, if you can find the Big Dipper, you can find the galaxy and you just need  binoculars or telescope to see it from any northern latitude!! I.e., take this opportunity to look at a supernova  bc it is probably the only opportunity we'll have in our lifetime; it will be visible for a couple weeks   ­­ OR we'll have a couple observing nights for our own class!  ­the galaxy that this happened in is 12 million lightyears away so this supernova actually happened  12million years ago and we are just seeing it now bc that's how long it takes light to travel from M82 to earth  Black holes cont'd ­Clicker Quiz­ which of the following would allow us to locate a black hole today?: we cannot watch light  unless it's coming TO us (i.e., if the light is going into a black hole it means you cannot see it!)  THEREFORE B is the answer (we could look for objects which appear to be orbiting an invisible object) ­recall that black holes are hard to find bc they suck up everything that goes beyond its event horizon so  how do we know they exist? Lurking near the constellation Cygnus... Jan 23 Ast201 Lecture 01/13/2014 ­U of T made this discovery: they saw near the constellation Cygnus, even with the largest telescope, things  orbiting something that was not a star in orbit around a big star; from there, using the measurements of the  visible star, they were able to determine the mass of the black hole, which was mutually orbiting with the  visible star and slowly sucking up that star (refer to image of Cygnus X­1)   ­ this image is accurate, slowly the star will be devoured by the  black hole  ­this act will take apart the star piece by piece  ­SOMETIMES you get a weird situation where the companion star will blow up before being devoured so  then there will be two black holes orbiting each other! NOTHING escapes a black hole The X­rays we see coming from Cygnus X1 were emitted.. ­those 
More Less

Related notes for AST201H1

Log In


Don't have an account?

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.