IAO 2003, Практически тур, Група B — Задача 8. Оценка массы Сатурна

5 октомври 2003 г.

Внимание: Бележка към темата

Русское условие сохранено как отдельная языковая версия. Официальное решение в архиве — на английском языке.

Условие

Положение щели спектрометра. Запад и Восток отмечены буквами W и E соответственно.
Положение щели спектрометра. Запад и Восток отмечены буквами W и E соответственно.
Спектр Солнца, отражённый от Сатурна. Запад сверху, длины волн увеличиваются слева направо.
Спектр Солнца, отражённый от Сатурна. Запад сверху, длины волны увеличиваются слева направо.

Введение

С тех пор, как кольцо Сатурна было обнаружено в телескоп Галилео Галилеем, оно стало одним из главных астрономических достопримечательностей. То, что кольцо – это не твёрдое тело, а неисчислимое множество «маленьких лун», обращающихся вокруг Сатурна по кеплеровским орбитам, было доказано спектроскопическим методом одновременно Аристархом Аполлоновичем Белопольским и Джеймсом Э. Килером. Результаты Э.Килера опубликованы в первом выпуске Астрофизического Журнала за 1895 г. В этой задаче Вам предстоит повторить рассуждения этих ученых, используя недавние наблюдения, а также оценить массу Сатурна.

Детали наблюдений

Сатурн наблюдался на Скандинавском Оптическом Телескопе (the Nordic Optical Telescope, NOT, 2,5-метровый телескоп на канарском острове Ла Пальма) 25.02.2002 г. в 23:25 Всемирного времени. Щель спектрографа по отношению к наблюдаемому Сатурну была расположена так, как показано на рис. 1. Полученный спектр (рис. 2) представляет собой солнечный спектр, отражённый от планеты. Прямые вертикальные линии поглощения – теллурические, то есть линии поглощения, возникающие при прохождении света через атмосферу Земли. Наклоненные линии – линии поглощения Солнца, отражённые от планеты. Две самых сильных линии поглощения, замеченные в спектре, – переходы D2D_2 и D1D_1 Na I (нейтрального натрия), их длины волн в покоящейся системе отсчета – 589,00 нм и 589,59 нм соответственно.

[[figure:p8-slit]]

[[figure:p8-spectrum]]

Задания

Вы должны тщательно объяснять каждый шаг в ваших вычислениях. Ответы без обоснования не принимаются.

8.1. Приведённый на рис. 2 спектр наглядно демонстрирует, что кольцо Сатурна не может быть единым вращающимся телом. Нарисуйте, каким был бы спектр, если бы кольцо вращалось как единое твёрдое тело. (~20%)

8.2. Известно, что сидерический период вращения Сатурна равен 10,66 час. Используя приведённый на рис. 2 спектр, оцените экваториальный диаметр Сатурна. (~30%)

8.3. По спектру рис. 2 оцените массу Сатурна. Если Вы не помните гравитационную постоянную, можете использовать данные: 1 а.е. = 1,496×1081{,}496\times10^8 км, масса Солнца MSun=1,99×1030M_{\mathrm{Sun}}=1{,}99\times10^{30} кг. (~50 %)

Вы можете использовать тот факт, что кольцо Сатурна является плоским и параллельным экватору планеты, чтобы вычислить, под каким углом наблюдателю была видна система.

Решение

Reference data

Parameters of orbits. Physical characteristics of some planets, Moon and Sun. Groups A,B.

BodyAverage distance (AU)Average distance (million km)Sidereal or analogous period (tropical years)Period (days)Eccentricity eeEquatorial diameter (km)Mass (102410^{24} kg)Average density (g/cm³)Surface gravity (m/s²)Maximum magnitude from EarthAlbedo
Sun1.6⋅1091.6\cdot10^92.5⋅10112.5\cdot10^{11}2.2⋅1082.2\cdot10^88⋅10108\cdot10^{10}139200019890001.409−26.8
Mercury0.38757.90.24187.970.20648790.33025.433.70−2.20.06
Venus0.723108.20.615224.700.007121044.86905.248.87−4.70.78
Earth1.000149.61.000365.260.017127565.97425.5159.810.36
Moon0.002570.384400.074827.32170.05534750.07353.341.62−12.70.07
Mars1.524227.91.880686.980.09367940.64193.943.71−2.00.15
Jupiter5.204778.611.8624332.590.0481429841899.81.3324.86−2.70.66

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_3.jpg · официални решения: pract8sol.doc · допълнителни данни: pract_ru_4.jpg · допълнителни данни: data.pdf