FUVEST 2026 — questão 60 de Física

Gabarito DGravitação — raio de Schwarzschild e densidade1ª fase · Caderno V1
Enunciado — imagem da prova
Enunciado da questão 60 de Física do FUVEST 2026

Enunciado em texto

Desde as primeiras descobertas, os buracos negros despertam enorme interesse da humanidade. Eles são caracterizados por regiões suficientemente densas e massivas em que o campo gravitacional é tão intenso que nada que esteja a distâncias inferiores a RSc do buraco negro consegue escapar de sua atração, nem a luz ou outras formas de radiação. Esse raio, também conhecido como raio de Schwarzschild, é expresso por RSc= 2GM/c, sendo G a constante de gravitação universal, M a massa do buraco negro e c a velocidade da luz.

Considere, por simplicidade, um buraco negro de massa igual à massa solar MSol = 2×10³⁰ kg e de raio igual a RSc. Nesse caso, a razão entre a densidade volumétrica de um buraco negro e a densidade volumétrica do Sol apresenta uma ordem de grandeza mais próxima de:

(A) 10⁻²

(B) 10⁴

(C) 10¹⁰

(D) 10¹⁶

(E) 10²² Note e adote: Suponha uniformes as densidades volumétricas do Sol e do buraco negro. Considere que o buraco negro e o Sol sejam esféricos e tenham distribuição de massa uniforme. G = 10⁻¹⁰ Nm²/kg² ; RSol= 10⁹ m ; c = 3×10⁸ m/s.

Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à FUVEST.

Resolução comentada

O que a questão pede: a ordem de grandeza da razão entre a densidade de um buraco negro e a do Sol, sendo os dois de mesma massa.

Passo 1 — raio do buraco negro (raio de Schwarzschild): RSc=2GMc2=2⋅10−10⋅2×1030(3×108)2=4×10209×1016≈4,4×103 mR_{Sc}=\dfrac{2GM}{c^{2}}=\dfrac{2\cdot10^{-10}\cdot 2\times10^{30}}{(3\times10^{8})^{2}}=\dfrac{4\times10^{20}}{9\times10^{16}}\approx 4{,}4\times10^{3}\ \text{m} (uns 4 km!).

Passo 2 — comparar as densidades. Densidade é massa dividida por volume. Como as massas são iguais, quem tem raio menor é mais denso. A razão das densidades é o inverso da razão dos volumes: ρbnρSol=(RSolRSc)3\dfrac{\rho_{bn}}{\rho_{Sol}}=\left(\dfrac{R_{Sol}}{R_{Sc}}\right)^{3}.

RSolRSc=1094,4×103≈2,3×105\dfrac{R_{Sol}}{R_{Sc}}=\dfrac{10^{9}}{4{,}4\times10^{3}}\approx 2{,}3\times10^{5}; elevando ao cubo: ≈1,2×1016\approx 1{,}2\times10^{16}.

Ordem de grandeza 101610^{16} — alternativa D.

Resolução em vídeo

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