IAO 2003, Практически тур, Групи A и B — Задача 7. Измерение скорости света
5 октомври 2003 г.
Внимание: Бележка към темата
Русское условие сохранено как отдельная языковая версия. Официальное решение в архиве — на английском языке.
Условие
Вы должны тщательно объяснять каждый шаг в ваших вычислениях. Ответы без обоснования не принимаются.
Представьте Солнечную систему, населённую нашими потомками, в отдалённом будущем. На астероиде Салтис живёт и работает оператором горных разработок Целеста Спейсдиггер, хобби у которой – любительская астрономия. Работа оператора ей настолько надоедает, что долгие ночи Салтиса она тратит на изучение звёзд и планет, в особенности – великолепной планеты Сатурн. Старенький, но надёжный астрономический альманах помогает ей следить за ходом астрономических событий, таких, как, например, затмения планетой Сатурн его луны Титана. Однако, к своему разочарованию, Целеста начинает отмечать большие отклонения между наблюдаемыми ею временами покрытия Титана и временами, приведёнными в таблицах альманаха. На Салтисе Целеста находится в длительной командировке, и вот после нескольких аккуратных наблюдений у неё вырисовывается картина, что эти отклонения становятся наибольшими, когда Сатурн находится вблизи противостояний или соединений (с Солнцем, если смотреть с Салтиса). Целеста осознаёт, что причина этого кроется в том, что скорость света конечна, и находит в альманахе указание на то, что приведенные в таблицах времена – гелиоцентрические, то есть такие, какие должны быть при наблюдении с Солнца, а не с Салтиса. Довольная своим открытием, Целеста использует свои наблюдения для вычисления скорости света.
Вам предстоит повторить вычисления Целесты, используя её наблюдения. Единицы длины и времени, которыми она пользовалась, немного отличаются от тех, к которым Вы привыкли. Единица времени у обитателей Салтиса – пинит, равный одной тысячной синодического периода вращения Салтиса (1000 пинит = «солнечные сутки» на Салтисе).
Единица длины – сетер определена как одна миллиардная () среднего расстояния от Солнца до Салтиса.
Таблица 1. Моменты затмений Титана Сатурном
| табличное (пиниты), a | Целеста (пиниты), b | Комментарий, c |
|---|---|---|
| 456,47 | 450,32 | противостояние |
| 18,50 | 12,28 | противостояние |
| 821,41 | 815,29 | противостояние |
| 444,70 | 450,85 | соединение |
| 615,43 | 621,52 | соединение |
| 791,94 | 798,02 | соединение |
a. Табличные данные соответствуют времени начала затмений для наблюдателя, находящегося в центре Солнца
b. Целеста регистрировала моменты начала затмений по часам Салтиса. Точность определения времени равна 0,03 пинита.
c. Сатурн во время затмений не был в точности в противостояниях или соединениях, но был близок к ним.
[[figure:p7-time-difference]]

Задания
7.1. Целеста наблюдала затмения Титана, когда Сатурн был близок к противостоянию или соединению шесть раз (Таблица 1). Проанализируйте полученные ею данные и оцените скорость света в единицах сетер / пинит, а также дайте ожидаемую ошибку полученного Вами результата. (50 % от суммарного балла за всю задачу)
Долгими днями Салтиса Целеста нередко слушает радио с Земли, в том числе сигналы точного времени. Повторив открытие конечности скорости света, Целеста решила попробовать измерить также и радиус орбиты Земли (в сетерах). Она синхронизировала свои очень точные часы с радиосигналами точного времени с Земли, а затем регулярно отмечала расхождения показаний её часов с сигналами точного времени. Результаты представлены на рис. 1 (по осям – время измерений и разница во времени).
7.2. Оцените радиус орбиты Земли в сетерах, используя данные Целесты (рис. 1). (20% от суммарного балла за всю задачу)
7.3. Если 1 а.е. = км и м/с, то сколько метров в сетере? Сколько секунд в пините? (10 % от суммарного балла за всю задачу)
7.4. Оцените орбитальный период Салтиса в (земных) годах, используя рис. 1 и ответ на предыдущий вопрос. (20% от суммарного балла за всю задачу)
Внимание: для группы A на практическом туре одна задача №7 на 3 часа; для группы B – две задачи: №7 и №8 на 4 часа.
Решение
Official sketches for solutions. Measurements refer to the original printed sheets.
7.1. Speed of light
Let be Saturn’s orbital radius, be Saltis’s orbital radius and be the velocity of light. It takes light the time to reach the Sun from Saturn. At opposition it takes light to reach Saltis from Saturn, and at conjunction . This means that the difference in the timings from the tabulated values will be at opposition (i.e. the eclipse will be seen earlier) and at conjunction (i.e. the eclipse will be observed later than tabulated values).
Looking at the differences in Table 1, one sees that the spread in value is greater than the estimated timing error of 0.03 pinit. Thus the spread is mainly due to Saturn not being exactly at opposition/conjunction at the time of eclipse. Thus the extreme value is the best approximation, 6.23 pinit. Since the three opposition values are ranging from 6.12–6.23 pinit, the true opposition difference is probably not larger than 6.30 pinit. Thus a sensible estimated error is ~0.1 pinit. We ignore the conjunction values since they are further from true conjunction, probably due to difficulties in observing Saturn near the Sun.
With a time difference pinit, and defined to seter, we readily compute
Table 1. Eclipses of Titan by Saturn
| Tabulated (pinit) | Celesta (pinit) | Difference (pinit) |
|---|---|---|
| 456.47 | 450.32 | 6.15 |
| 18.50 | 12.28 | 6.23 |
| 821.41 | 815.29 | 6.12 |
| 444.70 | 450.85 | −6.14 |
| 615.43 | 621.52 | −6.08 |
| 791.94 | 798.02 | −6.08 |
Source note: this is the printed official table and its subsequent calculation. Several printed differences disagree with direct subtraction of the first two columns (18.50−12.28=6.22, 444.70−450.85=−6.15, 615.43−621.52=−6.09). The original key’s values are retained.
7.2. Earth’s orbital radius
The difference between the largest and smallest distance between Saltis and Earth is equal to 2 Earth orbital radii. From Fig. 1 we estimate the time difference to 5.3 pinit. With estimated as above, we get seter. Thus seter.
7.3. Units
seter gives 1 seter = 348 meter. With seter/pinit we have 1 pinit = 187 seconds.
7.4. Saltis’s orbital period
From Fig. 1 we estimate the interval between oppositions to pinit = 1.4 yr. Since the period of Earth is 1 yr, we use the formula for the synodic period to get the period of 3.7 yr. Alternatively, one may use the orbital radius of Saltis and Kepler’s law, , to get .
Reference data
Parameters of orbits. Physical characteristics of some planets, Moon and Sun. Groups A,B.
| Body | Average distance (AU) | Average distance (million km) | Sidereal or analogous period (tropical years) | Period (days) | Eccentricity | Equatorial diameter (km) | Mass ( kg) | Average density (g/cm³) | Surface gravity (m/s²) | Maximum magnitude from Earth | Albedo |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sun | 1392000 | 1989000 | 1.409 | −26.8 | |||||||
| Mercury | 0.387 | 57.9 | 0.241 | 87.97 | 0.206 | 4879 | 0.3302 | 5.43 | 3.70 | −2.2 | 0.06 |
| Venus | 0.723 | 108.2 | 0.615 | 224.70 | 0.007 | 12104 | 4.8690 | 5.24 | 8.87 | −4.7 | 0.78 |
| Earth | 1.000 | 149.6 | 1.000 | 365.26 | 0.017 | 12756 | 5.9742 | 5.515 | 9.81 | 0.36 | |
| Moon | 0.00257 | 0.38440 | 0.0748 | 27.3217 | 0.055 | 3475 | 0.0735 | 3.34 | 1.62 | −12.7 | 0.07 |
| Mars | 1.524 | 227.9 | 1.880 | 686.98 | 0.093 | 6794 | 0.6419 | 3.94 | 3.71 | −2.0 | 0.15 |
| Jupiter | 5.204 | 778.6 | 11.862 | 4332.59 | 0.048 | 142984 | 1899.8 | 1.33 | 24.86 | −2.7 | 0.66 |
For outer planets and Moon — in mean opposition. Blank cells are blank in the original bilingual Russian/English reference sheet.
Оригинал в Архива: pract_ru_1.jpg · официални решения: pract7sol.doc · допълнителни данни: pract_ru_2.jpg · допълнителни данни: data.pdf