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BAHIANA · 2023.1 — Medicina — Prova Discursiva — Questões de Física comentadas — Método TEF

Escola Bahiana de Medicina e Saúde Pública

PROSEF 2023.1 — Processo Seletivo Formativo · Prova Discursiva de Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física Q5.

Questão discursiva: o campo Distratores da auditoria TEF é registrado como “—”, pois não há alternativas objetivas. A resposta segue o padrão de respostas definitivo divulgado pela Bahiana.
Q5
Mecânica — Gravitação — Matéria Escura e Período Orbital

Na década de 1970, uma equipe de pesquisadores liderados pela astrônoma estadunidense Vera Rubin, estudando a velocidade com que as estrelas orbitavam o centro de galáxias espirais, verificou que as estrelas mais próximas da periferia das galáxias tinham velocidades muito superiores ao esperado. A velocidade esperada era calculada através do que se estimava de massa, $M(R)$, de estrelas, poeira e gás contidas dentro de um raio $R$, através da expressão que obedece às Leis de Newton da Gravitação,

$v=\sqrt{\dfrac{G\,M(R)}{R}}$, onde $G$ é a constante da Gravitação.

As altas velocidades implicariam que as galáxias só conseguiriam manter essas estrelas vinculadas, gravitacionalmente, a elas, caso houvesse muito mais matéria ali, além da conhecida: essa “massa faltante” seria de uma matéria de natureza ainda hoje não conhecida, chamada de matéria escura.

Observando o movimento de uma estrela a $20{,}0\text{ kPc}$ de distância do centro de uma galáxia X, esperava-se a velocidade orbital de módulo $10{,}0\text{ km/s}$, com base nas estimativas de massa da matéria conhecida, mas o módulo de velocidade medido foi de $250{,}0\text{ km/s}$.

Com base nessas informações,

⇒ Determine a relação entre a massa de matéria escura e a massa de matéria conhecida, dentro do raio de $20{,}0\text{ kPc}$ da galáxia X.

⇒ Calcule o tempo, em segundos, que essa estrela leva para completar uma volta em torno do centro galáctico, adotando $1{,}0\text{ kPc}=3\cdot10^{16}\text{ km}$.

1) $\dfrac{M_{escura}}{M_{conhecida}}=624$.

2) $P=4{,}8\pi\times10^{15}\text{ s}$.

Resolução

1) A velocidade esperada depende só da massa conhecida e a velocidade medida, da massa total (conhecida + escura), no mesmo raio $R$:

$v_{esp}=\sqrt{\dfrac{G\,M_{con}}{R}}$ e $v_{med}=\sqrt{\dfrac{G\,M_{tot}}{R}}$.

Dividindo:

$\dfrac{v_{esp}}{v_{med}}=\sqrt{\dfrac{M_{con}}{M_{con}+M_{esc}}}\Rightarrow\dfrac{10}{250}=\sqrt{\dfrac{M_{con}}{M_{con}+M_{esc}}}$.

Elevando ao quadrado:

$\dfrac{1}{625}=\dfrac{M_{con}}{M_{con}+M_{esc}}\Rightarrow 625=1+\dfrac{M_{esc}}{M_{con}}\Rightarrow\dfrac{M_{esc}}{M_{con}}=624$.

2) O raio da órbita é $R=20{,}0\text{ kPc}=20\cdot3\cdot10^{16}\text{ km}$ e a velocidade medida é $v=250{,}0\text{ km/s}$. Em uma volta completa:

$P=\dfrac{2\pi R}{v}=2\pi\cdot\dfrac{20\cdot3\cdot10^{16}}{250}=4{,}8\pi\times10^{15}\text{ s}$.

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