Съдържание

IAO 2012, Теория, старша възраст — Задача 4. Altair

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от IAO 2012

XVII International Astronomy Olympiad — Theoretical round — Group β

Бележка

General note. Maybe not all problems have correct questions. Some questions (maybe the main question of the problem, maybe one of the subquestions) may make no real sense. In this case you have to write in your answer (in English or Russian): «impossible situation – ситуация невозможна». Of course, this answer has to be explained numerically or logically.

Data from the tables (Planetary data, stars, constants, etc.) may be used for solving every problem.

The answers «Да-Yes» or «Нет-No» have to be written in English or Russian.

Planetary data

Элементы орбит. Физические характеристики некоторых планет, Луны, Солнца и Эриды

Parameters of orbits. Physical characteristics of some planets, Moon, Sun and Eris

Небесное тело, планета / Body, planet	Среднее расстояние от центрального тела / Average distance to central body, in astr. units	in $10^6$ km	Сидерический (или аналогичный) период обращения / Sidereal period (or analogous), in tropical years	in days	Наклон орбиты / Orbital inclination, $i$	Эксцентриситет / Eccentricity, $e$	Экваториальн. диаметр / Equat. diameter, km	Масса / Mass, $10^{24}$ kg	Средняя плотность / Av. density, g/cm³	Ускор. своб. пад. у пов. / Grav. accelr. at surf., m/s²	Наклон оси / Axial tilt	Макс. блеск, вид. с Земли / Max. magn. From Earth **)	Альбедо / Albedo
Солнце / Sun	$1,6\cdot10^9$	$2,5\cdot10^{11}$	$2,2\cdot10^8$	$8\cdot10^{10}$			1392000	1989000	1,409			$-26,74^{\mathrm m}$
Меркурий / Mercury	0,387	57,9	0,241	87,969	$7,00^\circ$	0,206	4 879	0,3302	5,43	3,70	$0,01^\circ$		0,06
Венера / Venus	0,723	108,2	0,615	224,7007	3,40	0,007	12 104	4,8690	5,24	8,87	177,36		0,78
Земля / Earth	1,000	149,6	1,000	365,2564	0,00	0,017	12 756	5,9742	5,515	9,81	23,44		0,36
Луна / Moon	0,00257	0,38440	0,0748	27,3217	5,15	0,055	3 475	0,0735	3,34	1,62	6,7	$-12,7^{\mathrm m}$	0,07
Марс / Mars	1,524	227,9	1,880	686,98	1,85	0,093	6 794	0,6419	3,94	3,71	25,19	$-2,0^{\mathrm m}$	0,15
Юпитер / Jupiter	5,204	778,6	11,862	4 332,59	1,30	0,048	142 984	1899,8	1,33	24,86	3,13	$-2,7^{\mathrm m}$	0,66
Сатурн / Saturn	9,584	1433,7	29,458	10 759,20	2,48	0,054	120 536	568,50	0,70	10,41	26,73	$0,7^{\mathrm m}$	0,68
Эрида / Eris	68,05			205 029	43,82	0,435	2 326	0,0167	2,52	0,7			0,96

**) Для Луны – в среднем противостоянии.

**) For Moon – in mean opposition.

Константи

Некоторые константы и формулы / Some constants and formulae

Скорость света в вакууме, c (м/с)	299 792 458	Speed of light in vacuum, c (m/s)
Гравитационная постоянная, G (Н·м²/кг²)	$6.674\cdot10^{-11}$	Constant of gravitation, G (N·m²/kg²)
Солнечная постоянная, A (Вт/м²)	1367	Solar constant, A (W/m²)
Параметр Хаббла, $H_0$ (км/с/МПк), среднее значение	71	mean value, Hubble parameter, $H_0$ (km/s/Mpc)
диапазон значений	50-100	diapason of values
Постоянная Планка, h (Дж·с)	$6.626\cdot10^{-34}$	Plank constant, h (J·s)
Заряд электрона, e (Кл)	$1.602\cdot10^{-19}$	Charge of electron, e (C)
Масса электрона, $m_e$ (кг)	$9.109\cdot10^{-31}$	Mass of electron, $m_e$ (kg)
Соотношение масс протона и электрона	1836.15	Proton-to-electron ratio
Постоянная Фарадея, F (Кл/моль)	96 485	Faraday constant, F (C/mol)
Магнитная постоянная, $\mu_0$ (Гн/м)	$1.257\cdot10^{-6}$	Magnetic constant, $\mu_0$ (H/m)
Универсальная газовая постоянная, R (Дж/моль/К)	8.314	Universal gas constant, R (J/mol/K)
Постоянная Больцмана, k (Дж/К)	$1.381\cdot10^{-23}$	Boltzmann constant, k (J/K)
Постоянная Стефана-Больцмана, $\sigma$ (Вт/м²/К⁴)	$5.670\cdot10^{-8}$	Stefan-Boltzmann constant, $\sigma$ (W/m²/K⁴)
Константа смещения Вина, b (м·К)	0.002897	Wien’s displacement constant, b (m·K)
Лабораторная длина волны Hα (Å)	6562.81	Laboratory wavelength of Hα (Å)
Длина тропического года, T (сут)	365.242199	Tropical year length, T (days)
Стандартная атмосфера (Па)	101 325	Standard atmosphere (Pa)
Ослабление видимого света земной атмосферой в зените (минимально)	$19\%,\ 0.23^{\mathrm m}$	Visible light extinction by the terrestrial atmosphere in zenith (minimum)
Показатель преломления воды при 20°C, n	1.334	Refractive index of water for 20°C, n
Момент инерции шара	$I=\frac25 MR^2$	Moment of inertia of a solid ball
Площадь сферы	$S=4\pi R^2$	Area of sphere
π	3.14159265	π
e	2.71828183	e
Золотое сечение, φ	1.61803399	Golden ratio, φ

Data of some stars

Данные о некоторых звёздах / Data of some stars

			RA	DEC	$p$	$\mathbf m$	S C	масса / mass
Солнце	Sun	$\odot$	$0^{\mathrm h}-24^{\mathrm h}$	$-23^\circ26'\ +23^\circ26'$	$8''.794$	$-26^{\mathrm m}.74$	G2	$1\ M_\odot$
Альдебаран	Aldebaran	α Tau	$04^{\mathrm h}35^{\mathrm m}55^{\mathrm s}$	$16^\circ30'33''$	$0''.048$	$0^{\mathrm m}.85^{\mathrm v}$	K5	$2.5\ M_\odot$
Альтаир	Altair	α Aql	$19^{\mathrm h}50^{\mathrm m}47^{\mathrm s}$	$08^\circ52'06''$	$0''.195$	$0^{\mathrm m}.77$	A7	$1.7\ M_\odot$
Антарес	Antares	α Sco	$16^{\mathrm h}29^{\mathrm m}24^{\mathrm s}$	$-26^\circ25'55''$	$0''.006$	$0^{\mathrm m}.96$	M1+B4	$22.4\ M_\odot$
Арктур	Arcturus	α Boo	$14^{\mathrm h}15^{\mathrm m}40^{\mathrm s}$	$19^\circ10'57''$	$0''.089$	$-0^{\mathrm m}.04^{\mathrm v}$	K1	$1.1\ M_\odot$
Ахернар	Achernar	α Eri	$01^{\mathrm h}37^{\mathrm m}43^{\mathrm s}$	$-57^\circ14'12''$	$0''.026$	$0^{\mathrm m}.46$	B3
зв.Барнарда	Barnard’s star	Oph	$17^{\mathrm h}57^{\mathrm m}48^{\mathrm s}$	$04^\circ41'36''$	$0''.545$	$9^{\mathrm m}.54$	M4
Бетельгейзе	Betelgeuse	α Ori	$05^{\mathrm h}55^{\mathrm m}10^{\mathrm s}$	$07^\circ24'25''$	$0''.005$	$0^{\mathrm m}.5^{\mathrm v}$	M1
Вега	Vega	α Lyr	$18^{\mathrm h}36^{\mathrm m}56^{\mathrm s}$	$38^\circ47'01''$	$0''.129$	$0^{\mathrm m}.03$	A0
Денеб	Deneb	α Cyg	$20^{\mathrm h}41^{\mathrm m}26^{\mathrm s}$	$45^\circ16'49''$	$0''.002$	$1^{\mathrm m}.25$	A2
Канопус	Canopus	α Car	$06^{\mathrm h}23^{\mathrm m}57^{\mathrm s}$	$-52^\circ41'45''$	$0''.010$	$-0^{\mathrm m}.72$	F0
Капелла	Capella	α Aur	$05^{\mathrm h}16^{\mathrm m}41^{\mathrm s}$	$45^\circ59'53''$	$0''.073$	$0^{\mathrm m}.08$	G5+G0
Полярная	Polaris	α UMi	$02^{\mathrm h}31^{\mathrm m}49^{\mathrm s}$	$89^\circ15'51''$	$0''.0076$	$1^{\mathrm m}.97^{\mathrm v}$	F7
Процион	Procyon	α CMi	$07^{\mathrm h}39^{\mathrm m}18^{\mathrm s}$	$05^\circ13'30''$	$0''.288$	$0^{\mathrm m}.38$	F5
Ригель	Rigel	β Ori	$05^{\mathrm h}14^{\mathrm m}32^{\mathrm s}$	$-08^\circ12'06''$	$0''.013$	$0^{\mathrm m}.12$	B8
Сириус	Sirius	α CMa	$06^{\mathrm h}45^{\mathrm m}09^{\mathrm s}$	$-16^\circ42'58''$	$0''.375$	$-1^{\mathrm m}.46$	A1
Спика	Spica	α Vir	$13^{\mathrm h}25^{\mathrm m}12^{\mathrm s}$	$-11^\circ09'41''$	$0''.023$	$0^{\mathrm m}.98$	B1
Альфа Центавра	Alpha Centauri	α Cen	$14^{\mathrm h}39^{\mathrm m}36^{\mathrm s}$	$-60^\circ50'07''$	$0''.751$	$-0^{\mathrm m}.01$ ; $1^{\mathrm m}.33$	G2 ; K1	$2.0\ M_\odot$
Бета Центавра	Beta Centauri	β Cen	$14^{\mathrm h}03^{\mathrm m}49^{\mathrm s}$	$-60^\circ22'23''$	$0''.009$	$0^{\mathrm m}.61$	B1	$21\ M_\odot$
Эпсилон Эридана	Epsilon Eridani	ε Eri	$03^{\mathrm h}32^{\mathrm m}56^{\mathrm s}$	$-09^\circ27'30''$	$0''.311$	$3^{\mathrm m}.74$	K2	$0.82\ M_\odot$

Note for jury and team leaders

The proposed sketches are not full; the team leaders have to give more detailed explanations to students. But the correct solutions in the students’ papers (enough for 8 pts) may be shorter.

Basic criteria for examiners — Note

The given sketches are not full; the team leaders have to give more detailed explanations to students. But the correct solutions in the students’ papers (enough for 8 pts) may be shorter.

Условие

Estimate the density of the star Altair.

Решение

All necessary data may be taken from tables and the Hertzsprung-Russell diagram.

Distance to Altair is

D_A=1\text{ pc}/p=206265\text{ a.u.}/0.195\approx1060000\text{ a.u.}

Our Sun being moved to this distance will have the magnitude

m_1=-26^m.74+5^m\lg1060000\approx-26^m.74+30^m.12\approx3^m.38.

So the difference in absolute stellar magnitudes of Sun and Altair is:

\Delta m=3^m.38-0^m.77=2^m.61.

Thus, the ratio of luminosities of Altair $L_A$ and the Sun $L_\odot$ is

L_A/L_\odot=100^{2.61/5}\approx11.1.

The luminosity of a star $L$ is proportional to its surface area and the fourth power of surface temperature, i.e. $L\sim R^2T^4$ . Density of a star is equal to its mass divided by its volume, i.e. it is proportional to $M/R^3$ . Thus, $\rho\sim MT^6/L^{3/2}$ . Temperatures of Altair and Sun may be found using the Hertzsprung-Russell diagram from their spectral types, A7 and G2, 8100 K and 5800 K respectively. So by comparing the densities of Altair and Sun (see table, $\rho_\odot\approx1410$ kg/m³), we may find that the density of Altair is

\rho_P=\rho_\odot\cdot(M_A/M_\odot)\cdot(T_A/T_\odot)^6\cdot(L_\odot/L_A)^{3/2}\approx480\text{ kg/m}^3.

Basic criteria for examiners.

The distance to Altair — 1 pt.

Finding the ratio of luminosities of Altair and Sun — 2 pt.

Realization that $L\sim R^2T^4$ , $\rho\sim M/R^3$ , and so $\rho\sim MT^6/L^{3/2}$ — 2 pt.

Taking correct temperatures of the stars — 1 pt.

Final result — 2 pt.

Теми и трудност

Трудност: неоценена.

Звезди · Свойства на звездите · Диаграма на Херцшпрунг–Ръсел

Предпоставки: Разширена олимпиадна подготовка

Оригинал в Архива: betatheo.pdf · официални решения: theosol1.png · допълнителни данни: theosol2.png · допълнителни данни: theosol3.png · допълнителни данни: theosol4.png · допълнителни данни: theo_cr_1.png · допълнителни данни: theo_cr_2.png