Question

（10分）經(jīng)過(guò)用天文望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)期觀測(cè)，人們?cè)谟钪嬷幸呀?jīng)發(fā)現(xiàn)了許多雙星系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)它們的研究，使我們對(duì)宇宙中物質(zhì)的存在形勢(shì)和分布情況有了較深刻的認(rèn)識(shí)。雙星系統(tǒng)由兩個(gè)星體構(gòu)成，其中每個(gè)星體的線度都遠(yuǎn)小于兩星體之間的距離。一般雙星系統(tǒng)距離其他星體很遠(yuǎn)，可以當(dāng)作孤立系統(tǒng)處理。 現(xiàn)根據(jù)對(duì)某一雙星系統(tǒng)的光度學(xué)測(cè)量確定，該雙星系統(tǒng)中每個(gè)星體的質(zhì)量都是，兩者相距。他們正繞兩者連線的中點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)。

(1) 試計(jì)算該雙星系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)周期T₁ ；

(2)若實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)周期為T₂，且T₂:T₁=1: (N>1)。為了解釋T₂與T₁的不同，目前有一種流行的理論認(rèn)為，在宇宙中可能存在一種望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)不到的暗物質(zhì)。作為一種簡(jiǎn)化模型，我們假定在這兩個(gè)星體連線為直徑的球體內(nèi)均勻分布著這種暗物質(zhì)，而不考慮其它暗物質(zhì)的影響。試根據(jù)這一模型和上述觀測(cè)結(jié)果確定該星系間這種暗物質(zhì)的密度。

Answer 1

解析：

（1）雙星均繞它們的連線的中點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，則有

               2分

  得                      1分

（2）根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，星體的運(yùn)動(dòng)周期

                         

這說(shuō)明雙星系統(tǒng)中受到的向心力大于本身的引力，故它一定還受到其他指向中心的作用力，按題意這一作用來(lái)源于均勻分布的暗物質(zhì)，均勻分布在球體內(nèi)的暗物質(zhì)對(duì)雙星系統(tǒng)的作用與一質(zhì)量等于球內(nèi)暗物質(zhì)的總質(zhì)量位于中點(diǎn)處的質(zhì)量點(diǎn)相同．考慮暗物質(zhì)作用后雙星的速度即為觀察到的速度，則有 

         2分     

得                  1分

將解得的T₁、T₂代入T₂:T₁=1:

得                2分

設(shè)所求暗物質(zhì)的密度為，則有     1分

故                             1分