IOAA 2016, Анализ на данни — Задача 1. Двоен пулсар

Анализ на данни · 50 т.

Инструкции

(1) Пълната продължителност на тура е пет часа.

(2) Практическият тур се състои от: Задачи от 1 до 3 - 50 точки всяка - 50 x 3 = 150 точки Общо = 150 точки

(3) Във Вашия плик Вие ще намерите

a. Текстовете на задачите, преведени на английски език

b. Текстовете на задачите, преведени на Вашия език

c. Таблица с константи на английски език

d. Taблица с константи на Вашия роден език

e. Бланка за отговори и решения за всяка задача (Summary answersheet)

f. Начална страница (Cover sheet)

(4) Моля, изплзвайите само син или черен химикал за писане. За чертане, можете да използвате молив. Графиките задължително трябва да бъдат начертани с молив!

(5) Няма да се отнемат точки за липсващо или грешно решение.

(6) Ще бъдат отнемани точки, ако отговорът на някоя задача е посочен, без подробно решение.

(7) Ще се отнемат точки, ако крайният отговор е записан с неправилен брой цифри или ако лиспва мерна единица или тя е неправилна.

(8) Трябва да използвате стойностите на фундаменталните и астрономическите константи, които са включени в таблицата, която Ви е предоставена.

(9) Инструкции, касаещи бланката за отговори и решения

a.Вие ще разполагате с отделна бланка за отговори (Summary answersheet) за всяка една задача. Крайният отговор на всяка една задача трябва да записан в съотвеното поле в тази бланка. Моля, запишете Вашия състезателен код и броя страници, използвани за решението на всяка една задача, в заглавната страница.

b. От Вас се изисква да напишете подробно решение в предоставеното място. Ако е необходимо, можете да поискате допълнителни листи (blank answersheets).

c.Моля, пишете решението на всяка задача на отделен лист!

d. Напишете Вашия състезателен код, номера на задачата и номера на страницата на ПРЕДНАТА страна на всяка една страница за решения (blank answersheet). Напишете Вашия състезателен код и номер на страницата на ОБРАТНАТА страна на всяка страница за решения.

e.Всяка графика трябва да бъде номерирана, съгласно инструкциите в съответната задача.

f. Номерата на страниците трябва да са последователни, т.е. ако Вие използвате 20 страници за целия тур (включително и бланките за отговори (Summary Answersheets)), номерата на страниците трябва да са от 1 до 20.

g. Моля, пишете само в очертаното поле!

h. Моля, зачертайте всичко, което сте написали, но не бихте искали да бъде оценявано.

(10) В края на тура:

a. Ясно запишете на началната страница (Cover sheet) номерата на странциите на които са написани решенията на всяка задача.

b. Проверете дали сте написали Вашия състезателен код на всички страници!

c. Поставете: началната страница, всички бланки за отговори и решения, празните листи и листите за чернова в плика. Можете да вземете със себе си текстовете на задачите и таблицата с константи.

Таблица с константи

Фундаментални константи

Скорост на светлината във вакуумc=2.998×108 m s−1c = 2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}
Константа на Планкh=6.626×10−34 J sh = 6.626\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}
Константа на БолцманkB=1.381×10−23 J K−1k_B = 1.381\times10^{-23}\ \mathrm{J\,K^{-1}}
Константа на Стефан-Болцманσ=5.670×10−8 W m−2 K−4\sigma = 5.670\times10^{-8}\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-4}}
Заряд на електронаe=1.602×10−19 Ce = 1.602\times10^{-19}\ \mathrm{C}
Гравитационна константаG=6.674×10−11 N m2 kg−2G = 6.674\times10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}
Универсална газова константаR=8.315 J mol−1 K−1R = 8.315\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}
Число на АвогадроNA=6.022×1023 mol−1N_A = 6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}
Закон на Вин за отместване на максимума на излъчванеλmT=2.898×10−3 m K\lambda_m T = 2.898\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}
Маса на електронаme=9.109×10−31 kgm_e = 9.109\times10^{-31}\ \mathrm{kg}
Маса на протонаmp=1.673×10−27 kgm_p = 1.673\times10^{-27}\ \mathrm{kg}
Маса на неутронаmn=1.675×10−27 kgm_n = 1.675\times10^{-27}\ \mathrm{kg}
Атомна единица за маса (a.m.u.)1.661×10−27 kg1.661\times10^{-27}\ \mathrm{kg}

Астрономически константи

1 парсек (pc)3.086×1016 m3.086\times10^{16}\ \mathrm{m}
1 астрономическа единица (AU)a⊕=1.496×1011 ma_\oplus = 1.496\times10^{11}\ \mathrm{m}
Маса на СлънцетоM⊙=1.989×1030 kgM_\odot = 1.989\times10^{30}\ \mathrm{kg}
Радиус на СлънцетоR⊙=6.955×108 mR_\odot = 6.955\times10^8\ \mathrm{m}
Светимост на СлънцетоL⊙=3.826×1026 WL_\odot = 3.826\times10^{26}\ \mathrm{W}
Видима звездна величина на Слънцето в момент на местно пладнеm⊙=−26.72 magm_\odot = -26.72\ \mathrm{mag}
Слънчева константа (за Земята)1366 W m−21366\ \mathrm{W\,m^{-2}}
Видим ъглов диаметър на Слънцетоθ⊙=30′\theta_\odot = 30\prime
Маса на ЗемятаM⊕=5.972×1024 kgM_\oplus = 5.972\times10^{24}\ \mathrm{kg}
Радиус на ЗемятаR⊕=6.371×106 mR_\oplus = 6.371\times10^6\ \mathrm{m}
Тропична година365.242 solar days=3.156×107 s365.242\ \text{solar days} = 3.156\times10^7\ \mathrm{s}
Маса на ЮпитерMJ=1.898×1027 kgM_J = 1.898\times10^{27}\ \mathrm{kg}
Радиус на орбитата на ЮпитерRJ=5.203 AUR_J = 5.203\ \mathrm{AU}

Условие

През последните няколко десетилетия са открити голям брой милисекундни пулсари с период на въртене около оста им P < 10 ms. Оказва се, че голяма част от тези пулсари се намират в двойни системи и се движат по почти кръгови орбити.

За един пулсар, който се намира в двойна система, измерваният период на въртене около оста му (P) и измерваното ускорение по лъча на зрение (a) се променят с времето поради неговото орбитално движение. Ако орбитата на пулсара е кръгова, това изменение може да бъде описано математически, като функция на орбиталната фаза на пулсара ϕ (0≤ϕ≤2π)\phi\ (0 \le \phi \le 2\pi), по следния начин:

P(ϕ)=P0+Ptcos⁡ϕwhere Pt=2πP0rcPBP(\phi) = P_0 + P_{\mathrm{t}} \cos\phi \qquad \text{where } P_{\mathrm{t}} = \frac{2\pi P_0 r}{c P_{\mathrm{B}}}
a(ϕ)=−atsin⁡ϕwhere at=4π2rPB2a(\phi) = -a_{\mathrm{t}} \sin\phi \qquad \text{where } a_{\mathrm{t}} = \frac{4\pi^2 r}{P_{\mathrm{B}}^2}

където PBP_{\mathrm{B}} е орбиталният период на двойната система, P0P_0 е истинският период на въртене на пулсара около оста му, а rr е радиусът на кръговата орбита по която той се движи.

В таблицата са дадени резултатите от измерванията на P и a, в различни моменти от време (епохи), T, изразени в Truncated Julian Days (TJD), т.е. брой дни след JD = 2 440 000,5 .

No.T (TJD)P (μs)a (m s−2^{-2})
15740.6547587.8889- 0.92 ± 0.08
25740.7037587.8334- 0.24 ± 0.08
35746.1007588.4100- 1.68 ± 0.04
45746.6757588.5810+ 1.67 ± 0.06
55981.8117587.8836+ 0.72 ± 0.06
65983.9327587.8552- 0.44 ± 0.08
76005.8937589.1029+ 0.52 ± 0.08
86040.8577589.1350+ 0.00 ± 0.04
96335.9047589.1358+ 0.00 ± 0.02

Ако начертаем графика показваща зависимостта на ускорението a(ϕ)a(\phi) като функция на P(ϕ)P(\phi), ние ще получим т.нар. параметрична крива. Както се вижда от горните равенства, тази крива, начертана в координатна система период - ускорение, е елипса.

В тази задача, Вие ще оцените истинския период на въртене на пулсара, P0P_0, неговия орбитален период, PBP_{\mathrm{B}}, и радиуса на орбитата му , rr, чрез анализ на предоставения набор от данни, като предполагаме, че пулсарът се движи по кръгова орбита.

(D1.1) (7 т.)

Нанесете данните от таблицата, в координатна система период-ускорение, (P - a), като означите и грешките (error bars). Напишете над графиката “D1.1”.

(D1.2) (2 т.)

Върху графика “D1.1” начертайте елипсата, която описва по най-добър начин тези данни.

(D1.3) (7 т.)

Използвайте начертаната графика, за да оцените стойностите на P0P_0, PtP_{\mathrm{t}} и ata_{\mathrm{t}}. Направете оценка и за техните грешки.

(D1.4) (4 т.)

Получете изрази за PBP_{\mathrm{B}} и rr като функции на P0P_0, PtP_{\mathrm{t}}, ata_{\mathrm{t}}.

(D1.5) (6 т.)

Пресметнете приблизителните стойности на PBP_{\mathrm{B}} и rr, използвайки Вашите оценки, направени в подусловие (D1.3), като оцените и техните грешки.

(D1.6) (4 т.)

Пресметнете орбиталните фази, ϕ\phi, които съответстват на наблюденията със следните номера на редовете в таблицата: 1, 4, 6, 8, 9.

(D1.7)

Подобрете оценката си за орбиталния период, PBP_{\mathrm{B}}, използвайки резултатите от подусловие (D1.6), по следния начин:

(D1.7a) Първо, определете началния момент (initial epoch), T0T_0, която съответства на най-скорошния момент в който орбиталната фаза е била равна на 0, преди началото на наблюденията. [2 т.]

(D1.7b) Очакваният момент, TcalcT_{\mathrm{calc}}, съответстващ на всяка една фаза, се задава с израза:

Tcalc=T0+(n+ϕ360∘)PB,T_{\mathrm{calc}} = T_0 + \left(n + \frac{\phi}{360^{\circ}}\right) P_{\mathrm{B}},

където n\boldsymbol{n} е броят пълни орбитални цикли, които са преминали от между T0T_0 и TT (или TcalcT_{\mathrm{calc}}). Оценете стойностите на n\boldsymbol{n} и TcalcT_{\mathrm{calc}} за всяко едно от наблюденията, разгледани в подусловие (D1.6). Пресметнете разликата TO−CT_{\mathrm{O-C}} между наблюдавания момент TT и изчисления момент TcalcT_{\mathrm{calc}}. Въведете получените резултати в съответните полета в таблицата за отговори (Summary Answersheet). [7 т.]

(D1.7c) Начертайте графика на зависимостта TO−CT_{\mathrm{O-C}} от nn и я означете с “D1.7”. [4 т.]

(D1.7d) Определете уточнените стойности на началния момент (initial epoch), T0,rT_{\mathrm{0,r}}, и на орбиталния период, PB,rP_{\mathrm{B,r}} . [7 т.]

Решение


Оригинал в Архива: data_analysis_bg.pdf · официални решения: data_analysis_sol.pdf · допълнителни данни: instructions_data_analysis_bg.pdf · допълнителни данни: tableofconstants_bg.pdf · допълнителни данни: data_analysis.pdf · допълнителни данни: Data-analysis-qp.pdf