Activity 1: Modelling the formation

Activity 1: Modelling the formation of a black hole

This activity will demonstrate to students how a black hole is formed through the collapse of a massive star, once the core of the star is unable to support the weight of the outer layers of gas surrounding it. The time needed should be about one hour.

Materials

Each working group will need:

A balloon
A few sheets of aluminium foil, each approximately 30 cm square
A pin for popping the balloon.
Method

Have the students inflate the balloon and tie it closed. They should then wrap the balloon in several layers of aluminium foil to create the model star.
Explain that the layers of foil represent the different gas layers of the star, and the balloon that gives them their shape is analogous to the hot burning core of the star. Inside the core, the heat created by thermonuclear fusion exerts a pressure on the gas layers of the star, which keeps them from collapsing.
Have the students simulate the effect of gravity by trying to lightly compress the balloon. The pressure of the core is such that the star cannot collapse from gravity.
When a star reaches the end of its life, it runs out of fuel in the core and is no longer able to hold up the gas layers. Have the students pop the balloon with the pin, which simulates this process.
Again, they should try to compress the balloon with their hands to mimic the effect of gravity. This time, they will be able to compress the foil into a small ball, which simulates the formation of a black hole. Note that the mass of the small ball is the same as that of the model star, but their sizes are quite different.
Discussion

If a real star were the size of the balloon, then how big would the black hole really be? Is the crumpled ball too large or too small to represent a real black hole?

Answer: The crumpled ball is much too large to represent a black hole. Even a real black hole, formed from a massive star, is smaller than the tip of a pencil.
What would happen if you used more pieces of aluminium foil to make the gas layers in the star? Would the star be more massive? What about the black hole?

Figure 3: The materials required for the activity 2
Image courtesy of Charlotte Provost and Monica Turner
Building the star with more layers of gas (represented by the foil) would make the star more massive. It would also result in the formation of a more massive black hole, since there would be more material with which to form the black hole.

The concept of density (mass per unit volume) could be introduced here. Which has a higher density, the star or the black hole?

Although they have a different size, the star and black hole have the same mass, since they are made from the exact same amount of material. However, since the black hole is smaller, it has more material contained in less volume, and therefore has a higher density.
Activity 2: Modelling the action of a black hole
In this activity, students will build a model of a black hole to help them visualise how a black hole can ‘bend’ space–time and affect nearby objects. The activity should take about one hour.

Materials

Each working group will need (figure 3):

A light elastic bandage used for muscular injuries (e.g. Tubifix, sold in chemists’ shops), the largest ones available (used for the thorax)
A small marble
A very heavy ball (such as those used in games of boules, bocce or pétanque)
A pair of sharp scissors.
Method

Cut a piece of elastic bandage about 40 cm long. If it is tubular, you will need to cut it open on one side.
Ask several students to stretch the bandage horizontally until it becomes taut, to represent two-dimensional space.
Place the marble on the bandage, and make it roll across the surface of the bandage. Its path should be a straight line, similar to that of a light ray travelling through space.
Place the heavy ball on the bandage, and you will see how it deforms the fabric of space. Space becomes curved around the heavy mass.
Make the marble roll close to the mass; its trajectory should be altered by the deformation of the bandage. This is similar to what happens to light passing close to a massive object that deforms the space surrounding it. Try varying the speed of the marble to see how its path changes.
The more concentrated the central mass (that is, the heavier the large ball), the more curved the bandage will be. This increases the depth of the ‘gravitational well’, from which a marble would not be able to escape.
As the marble passes close to the large ball, it starts to revolve around the ‘black hole’ and eventually falls in. Once it is there, you can see how things may easily fall into a black hole but have difficulty getting out. This is what happens with black holes: their gravity deforms space in such a way that light or other objects fall in and cannot escape.

Discussion


Step 5: roll a small marble along the fabric, and observe how its trajectory is altered.
Image courtesy of Charlotte Provost and Monica Turner

Figure 6: Using marbles of different weights.
Image courtesy of Charlotte Provost and Monica Turner
What happens when you decrease the speed of the marble? Why?

When the speed of the marble is high enough, the marble has enough energy to escape the gravity of the black hole. However, if the speed of the marble is too low, the force of gravity from the black hole is too strong and the marble will not be able to escape.
What happens when you use a heavier large ball? What about a heaver marble (figure 6)?

Because more massive objects create a stronger gravitational force, in both cases you will need to throw the marble harder for it to escape the gravity of the black hole.
How would you be able to tell if there is a black hole somewhere by observing the motions of the stars?

If a black hole becomes massive enough, stars that pass nearby will become trapped in its gravitational field and begin to orbit the black hole, much as the planets in our Solar System orbit the Sun. By observing the motions of many stars, astronomers can look for stars that have orbits around the same central point. If they cannot see an object at this central point, this is evidence that a black hole could be present there.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

กิจกรรมที่ 1: แบบจำลองการก่อตัวของหลุมดำ

กิจกรรมนี้จะแสดงให้เห็นถึงนักศึกษาว่าหลุมดำจะเกิดขึ้นผ่านการล่มสลายของดาวขนาดใหญ่ เมื่อแกนของดาวไม่สามารถรองรับน้ำหนักชั้นนอกของก๊าซที่อยู่โดยรอบ เวลาที่ใช้ควรจะประมาณหนึ่งชั่วโมง

วัสดุ

แต่ละกลุ่มทำงานจะต้อง:

บอลลูน
กี่แผ่นอะลูมิเนียมฟอยล์ ละประมาณ 30 ซม.สแควร์
pin สำหรับ popping ลูกโป่ง
วิธี

มีนักเรียนที่พองบอลลูนและผูกมันปิด นอกจากนี้พวกเขาแล้วควรตัดบอลลูนหลายชั้นอลูมิเนียมฟอยล์เพื่อสร้างดาวรุ่น
อธิบายว่า ชั้นของฟอยล์แทนชั้นก๊าซที่แตกต่างกันของดาว และบอลลูนที่ช่วยให้รูปร่างของพวกเขาคล้ายคลึงกับหลักเขียนร้อนของดาว ภายในหลัก ความร้อนที่สร้างขึ้น โดยหลอม thermonuclear exerts ความดันบนชั้นก๊าซของดาว ซึ่งทำให้พวกเขาจากยุบ
มีนักเรียนที่จำลองผลของแรงโน้มถ่วง โดยพยายามบีบเบา ๆ บอลลูน ดันของหลักคือดาวไม่ยุบจากแรงโน้มถ่วง
เมื่อดาวมาถึงจุดสิ้นสุดของชีวิต มันไม่มีน้ำมันเชื้อเพลิงในหลัก และไม่ต้องถึงชั้นก๊าซ มีนักเรียนที่ป๊อปบอลลูนกับ pin การจำลองกระบวนการนี้
อีกครั้ง พวกเขาควรพยายามบีบลูกโป่ง ด้วยฝ่ามือเพื่อเลียนแบบผลของแรงโน้มถ่วง เวลานี้ พวกเขาจะสามารถบีบฟอยล์เป็นลูกเล็ก ๆ การจำลองการก่อตัวของหลุมดำ หมายเหตุว่า มวลของลูกเป็นเหมือนกับดาวรุ่น แต่ขนาดของพวกเขาจะค่อนข้างแตกต่างกัน
สนทนา

ดาวจริงมีขนาดของบอลลูน ถ้าขนาดหลุมดำจริง ๆ จะ เป็นลูกยับมากเกินไป หรือเล็กเกินไปถึงหลุมดำจริงไหม

ตอบ: ลูกยับอยู่มากเกินถึงหลุมดำ แม้ความจริงหลุมดำ เกิดจากดาวขนาดใหญ่ มีขนาดเล็กกว่าปลายดินสอ.
อะไรจะเกิดขึ้นถ้าคุณใช้ชิ้นส่วนเพิ่มเติมของอะลูมิเนียมฟอยล์ชั้นก๊าซในดาว จะยิ่งใหญ่ดาว สิ่งที่เกี่ยวกับหลุมดำ?

รูปที่ 3: วัสดุที่จำเป็นสำหรับกิจกรรม 2
ภาพความ Provost ชาร์ลอตต์และโมนิกา Turner
อาคารดาวกับชั้นเพิ่มเติมของก๊าซ (แสดง โดยฟอยล์) จะทำให้ดาวยิ่งใหญ่ จะยังผลในการก่อตัวของหลุมดำขนาดใหญ่มาก เนื่องจากจะมีวัสดุเพิ่มเติมซึ่งหลุมดำนั้น

สามารถนำแนวคิดของความหนาแน่น (มวลต่อหน่วยปริมาตร) ที่นี่ ซึ่งมีความหนาแน่นสูง ดาว หรือหลุมดำ?

แม้ว่าพวกเขามีขนาดแตกต่างกัน ดาวและหลุมดำมีมวลเดียวกัน เนื่องจากพวกเขาจะจากเงินเดียวกันของวัสดุ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากหลุมดำมีขนาดเล็ก มีเนื้อหาเพิ่มเติมในปริมาณน้อย และดังนั้นจึง มีความสูงความหนาแน่น
2 กิจกรรม: สร้างแบบจำลองของหลุมดำ
ในกิจกรรมนี้ นักเรียนจะสร้างแบบจำลองของหลุมดำเพื่อช่วยในการ visualise ว่าหลุมดำสามารถ 'งอ' เนื้อที่ – เวลา และมีผลใกล้เคียงกับวัตถุ กิจกรรมควรใช้เวลาประมาณหนึ่งชั่วโมง

วัสดุ

แต่ละกลุ่มทำงานจะต้อง (รูป 3):

แผลยืดหยุ่นอ่อนใช้สำหรับการบาดเจ็บกล้ามเนื้อ (เช่น Tubifix ขายในร้านค้าของนักเคมี) ที่ใหญ่ที่สุดพร้อมใช้งาน (ใช้แบบ thorax)
อ่อนเล็ก
ลูกหนักมาก (เช่นที่ใช้ในเกมของ boules, bocce หรือ pétanque)
คู่ของกรรไกรคม.
วิธี

ตัดชิ้นส่วนของผ้าพันแผลยางยืดยาวประมาณ 40 ซม. ถ้าเป็นท่อ คุณจะต้องตัดมันเปิดบนหนึ่งด้าน
ให้นักเรียนหลายยืดแนวแผลจนกว่ามันจะตึง แสดงพื้นที่สองมิติ
วางหินอ่อนแผล และทำให้มันกลิ้งผ่านพื้นผิวของแผล ของเส้นทางควรเป็นเส้นตรง แสงเดินทางผ่านพื้นที่
วางลูกหนักบนแผล และคุณจะเห็นว่ามัน deforms ผ้าพื้นที่ พื้นที่กลายเป็นโค้งรอบมวล.หนัก
ทำม้วนหินอ่อนใกล้กับมวล วิถีควรมีการเปลี่ยนแปลง โดยแมพของแผล นี่คือคล้ายกับเกิดอะไรขึ้นกับแสงที่ผ่านใกล้กับวัตถุขนาดใหญ่ที่ deforms พื้นที่โดยรอบ ลองแตกต่างกันความเร็วของหินอ่อนไปดูวิธีเปลี่ยนเส้นทางของการ
ยิ่งเข้มข้นมวลกลาง (นั่นคือ ยิ่งลูกใหญ่), ที่โค้งขึ้นแผลจะ เพิ่มความลึกของ 'ความโน้มถ่วงดี' ซึ่งเป็นหินอ่อนจะไม่สามารถหลบหนี
เป็นหินอ่อนผ่านใกล้กับลูกบอลขนาดใหญ่ เริ่มเกี่ยวข้องกับ 'หลุมดำ' และตกในที่สุด เมื่อมีมี คุณสามารถดูการสิ่งอาจเดินตกลงไปในหลุมดำ แต่มีปัญหาออกมา นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นกับหลุมดำ: แรงโน้มถ่วงของพวกเขา deforms พื้นที่ในลักษณะไฟหรือวัตถุอื่น ๆ ที่อยู่ใน และไม่สามารถหนี

สนทนา


5 ขั้นตอน: หินอ่อนขนาดเล็กพร้อมผ้าม้วน และสังเกตว่า มีการเปลี่ยนแปลงของวิถีการ
ภาพความ Provost ชาร์ลอตต์และโมนิกา Turner

รูปที่ 6: ใช้ลูกหินของต่าง ๆ น้ำหนัก
ภาพความ Provost ชาร์ลอตต์และโมนิกา Turner
เกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณลดความเร็วของหินอ่อน ทำไม?

เมื่อความเร็วของหินอ่อนสูงเพียงพอ หินอ่อนมีพลังงานเพียงพอสำหรับการหนีแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ อย่างไรก็ตาม ถ้าความเร็วของหินอ่อนต่ำเกินไป แรงโน้มถ่วงจากหลุมดำมีความแข็งแกร่ง และอ่อนจะไม่สามารถหนี
เกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณใช้ลูกบอลขนาดใหญ่ heavier อะไรเกี่ยวกับหินอ่อน heaver (รูป 6) ?

เนื่องจากความโน้มถ่วงแรงแข็งแกร่ง สร้างวัตถุขนาดใหญ่ขึ้น ในทั้งสองกรณี คุณจะต้องโยนหินอ่อนยากสำหรับการหนีแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ
วิธีคุณจะสามารถบอกได้ว่า มีหลุมดำอยู่ โดยการสังเกตการเคลื่อนไหวของดาว?

ถ้ามีหลุมดำขนาดใหญ่เพียงพอ ดาวที่ผ่านใกล้เคียงจะกลายเป็นติดอยู่ในฟิลด์ของความโน้มถ่วง และเริ่มโคจรหลุมดำ, มากว่าโคจรของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเราดวงอาทิตย์ โดยสังเกตการเคลื่อนไหวของดาวจำนวนมาก นักดาราศาสตร์สามารถค้นหาดาวที่มีวงโคจรใกล้จุดศูนย์กลางเดียวกัน ถ้าพวกเขาไม่เห็นวัตถุที่จุดศูนย์กลางนี้ นี่คือหลักฐานว่า หลุมดำอาจจะมีอยู่มี

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

กิจกรรมที่ 1 : แบบจำลองการก่อตัวของหลุมดำ

กิจกรรมนี้จะให้นักเรียนว่าหลุมดำจะเกิดขึ้นผ่านการล่มสลายของดาวขนาดใหญ่ เมื่อแกนกลางของดาวคือ ไม่สามารถรองรับน้ำหนักของชั้นนอกของก๊าซที่อยู่โดยรอบ เวลาที่ใช้น่าจะประมาณหนึ่งชั่วโมง .



วัสดุแต่ละกลุ่มงานจะต้อง :

ลูกโป่ง
กี่แผ่นอลูมิเนียมฟอยล์ ,แต่ละประมาณ 30 ซม. สี่เหลี่ยม
pin สำหรับ popping บอลลูน .
)

มีนักเรียนพองบอลลูนและผูกปิด พวกเขาควรแล้วตัดลูกโป่งในหลายชั้นของอลูมิเนียมฟอยล์เพื่อสร้างรูปแบบดารา
อธิบายชั้นของฟอยล์แสดงแตกต่างกันชั้นก๊าซของดาว และบอลลูนที่ช่วยให้รูปร่างของพวกเขาเทียบกับร้อนเผาไหม้แกนของดาวภายในหลักการ ความร้อนที่สร้างโดยฟิวชั่นสาหัสภายในความดันก๊าซชั้นของดาวซึ่งช่วยให้พวกเขาจากล้ม
มีนักเรียนจำลองผลของแรงโน้มถ่วง โดยพยายามค่อย ๆบีบลูกโป่ง ความดันของแก่นนั้นดาวไม่สามารถยุบจากแรงโน้มถ่วง
เมื่อดาวมาถึงจุดสิ้นสุดของชีวิตมันวิ่งออกจากเชื้อเพลิงในแกนและไม่สามารถที่จะถือขึ้นก๊าซชั้น มีนักเรียนที่ pop ลูกโป่งกับขาซึ่งเลียนแบบกระบวนการนี้ .
อีกครั้ง พวกเขาควรพยายามที่จะบีบลูกโป่งด้วยมือของพวกเขาที่จะเลียนแบบผลของแรงโน้มถ่วง เวลานี้ , พวกเขาจะสามารถบีบอัดฟอยล์เป็นลูกเล็ก ๆซึ่งจำลองการเกิดหลุมดำทราบว่ามวลของลูกน้อยเป็นเช่นเดียวกับที่ของดารานางแบบ แต่ขนาดของพวกเขาจะแตกต่างกันค่อนข้าง .
สนทนา

ถ้าดาวที่แท้จริงคือขนาดของบอลลูนแล้วมันจะใหญ่หลุมดำจริงๆ ? เป็นลูกยู่ยี่ขนาดใหญ่หรือเล็กเกินไปที่จะแสดงหลุมดำที่แท้จริง ? ตอบ

: ลูกยู่ยี่มากขนาดใหญ่เกินไปที่จะเป็นตัวแทนของหลุมดำ แม้ว่าหลุมดำที่แท้จริงรูปแบบจากดาวขนาดใหญ่ มีขนาดเล็กกว่าปลายดินสอ
จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณใช้ชิ้นส่วนของอลูมิเนียมฟอยล์เพื่อให้ก๊าซชั้นดาว ? จะดาวจะมีขนาดใหญ่กว่า แล้วเรื่องของหลุมดำ ?

รูปที่ 3 : วัสดุที่จำเป็นสำหรับกิจกรรมที่ 2
ภาพมารยาทของชาร์ล็อต ประธานและ โมนิก้า เทอร์เนอร์
สร้างดาวที่มีชั้นของก๊าซ ( แสดงโดยฟอยล์ ) จะทำให้ดาวขนาดใหญ่เพิ่มเติม มันก็จะส่งผลในการก่อตัวของหลุมดำขนาดใหญ่มากขึ้น เนื่องจากจะมีมากขึ้นวัสดุที่สร้างหลุมดำ

แนวคิดของความหนาแน่น ( มวลต่อปริมาตรต่อหน่วย ) อาจจะแนะนำที่นี่ ซึ่งมีความหนาแน่นสูง , ดาวหรือหลุมดำ ?

ถึงแม้ว่าพวกเขามีขนาดแตกต่างกัน และดาวหลุมดำมีมวลเท่ากัน เนื่องจากพวกเขาจะทำจากจำนวนเงินเดียวกันของวัสดุ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากหลุมดำมีขนาดเล็ก มันมีวัสดุอยู่ในปริมาณน้อย และดังนั้นจึง มีความหนาแน่น .
กิจกรรมที่ 2 : การกระทำของ
หลุมดำ ในกิจกรรมนี้นักเรียนจะได้สร้างแบบจำลองของหลุมดำที่จะช่วยให้พวกเขาเห็นภาพว่าหลุมดำสามารถ ' โค้ง ' เวลาและพื้นที่และมีผลต่อวัตถุใกล้เคียง กิจกรรมที่ควรใช้เวลาประมาณหนึ่งชั่วโมง .



วัสดุแต่ละกลุ่มงานจะต้อง ( รูปที่ 3 ) :

แสงผ้าพันแผลยืดใช้สำหรับกล้ามเนื้อบาดเจ็บ ( เช่น tubifix ที่ขายในร้านค้านักเคมี ' ) , ใหญ่ที่สุดที่มีอยู่ ( ใช้สำหรับทรวงอก )

หินอ่อนเล็ก ๆบอลหนักมาก ( เช่นที่ใช้ในเกมของลูกเปตอง , Bocce หรือโอวิด )
กรรไกรคม

วิธีการตัดชิ้นผ้าพันแผลยืดหยุ่น ยาวประมาณ 40 เซนติเมตร ถ้าเป็นท่อที่คุณจะต้องตัดมันออกข้างเดียว .
ถามนักเรียนหลายยืดพันแผลในแนวนอนจนจะตึง เป็นตัวแทนสองมิติ .
วางหินอ่อนบนผ้าพันแผลและให้มันกลิ้งข้ามพื้นผิวของผ้าพันแผล เส้นทางของมันจะเป็นแนวตรง คล้ายกับที่ของรังสีแสงที่เดินทางผ่านพื้นที่ .
วางบอลหนักบนผ้าพันแผล , และคุณจะเห็นว่ามัน deforms ผ้าของพื้นที่ อวกาศโค้งรอบกลายเป็นมวลหนัก
ให้ม้วนหินอ่อนใกล้ชิดกับมวลชน วิถีของมันควรจะเปลี่ยนจากการทำแผลนี้จะคล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับแสงผ่านใกล้วัตถุขนาดใหญ่ที่ deforms พื้นที่ที่อยู่โดยรอบ ลองเปลี่ยนความเร็วของหินอ่อนเพื่อดูเส้นทางของการเปลี่ยนแปลง
ยิ่งเข้มข้นกลางมวล ( นั่นคือ หนักกว่าลูกใหญ่ ) , โค้งแผลจะ นี้จะเพิ่มความลึกของแรงโน้มถ่วงดี ' ' ซึ่งเป็นหินอ่อนจะไม่สามารถที่จะหลบหนี
เป็นหินอ่อนผ่านใกล้กับลูกบอลขนาดใหญ่ มันเริ่มหมุนรอบ ' หลุมดำ ' และในที่สุดก็ตกอยู่ใน เมื่อมีคุณสามารถดูว่าสิ่งที่ได้อย่างง่ายดายอาจตกอยู่ในหลุมดำ แต่มีปัญหาออกไป นี้คือสิ่งที่เกิดขึ้นกับหลุมดำแรงโน้มถ่วงของพวกเขา deforms พื้นที่ในลักษณะที่แสงหรือวัตถุอื่น ๆอยู่ และไม่สามารถหนี




ขั้นตอนที่ 5 : การอภิปรายม้วนหินอ่อนเล็กๆ พร้อมผ้า และสังเกตว่าวิถีของมันคือการเปลี่ยนแปลง .
สุภาพภาพของชาร์ล็อตประธานและโมนิก้า เทอร์เนอร์

รูปที่ 6 : การใช้หินอ่อนของน้ำหนักที่แตกต่าง
สุภาพภาพของชาร์ล็อตประธานและโมนิก้า เทอร์เนอร์
เกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณลดความเร็วของหินอ่อน ทำไม ?

เมื่อความเร็วของหินอ่อนสูงพอหินอ่อนมีแรงพอที่จะหนีแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ แต่ถ้าความเร็วของหินอ่อนต่ำเกินไป แรงโน้มถ่วงจากหลุมดำแรงเกินไปและหินอ่อนจะหนีไม่ได้ .
เกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณใช้หนักขนาดใหญ่บอล ? สิ่งที่เกี่ยวกับเวอร์หินอ่อน ( รูปที่ 6 )

เพราะวัตถุขนาดใหญ่มากขึ้นสร้างแข็งแกร่งแรงโน้มถ่วงแรงในทั้งสองกรณี คุณจะต้องโยนหินอ่อนหนักมันหนีแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ .
คุณจะสามารถบอกได้ว่า มีหลุมดำอยู่ โดยสังเกตการเคลื่อนไหวของดวงดาว

ถ้าหลุมดำจะใหญ่พอ ดาวที่ผ่านใกล้เคียงจะกลายเป็นอยู่ในสนามโน้มถ่วงของมันและเริ่มโคจรในหลุมดำเท่าดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเราโคจรรอบดวงอาทิตย์ โดยสังเกตการเคลื่อนไหวของดวงดาวหลายดวง นักดาราศาสตร์สามารถมองหาดวงดาวที่โคจรรอบจุดศูนย์กลางเดียวกัน ถ้าพวกเขาไม่สามารถมองเห็นวัตถุที่จุดศูนย์กลางนี้ นี่คือหลักฐานว่าหลุมดำอาจจะอยู่ตรงนั้น