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 вакуум | |
| Константа на Планк | |
| Константа на Болцман | |
| Константа на Стефан-Болцман | |
| Заряд на електрона | |
| Гравитационна константа | |
| Универсална газова константа | |
| Число на Авогадро | |
| Закон на Вин за отместване на максимума на излъчване | |
| Маса на електрона | |
| Маса на протона | |
| Маса на неутрона | |
| Атомна единица за маса (a.m.u.) |
Астрономически константи
| 1 парсек (pc) | |
| 1 астрономическа единица (AU) | |
| Маса на Слънцето | |
| Радиус на Слънцето | |
| Светимост на Слънцето | |
| Видима звездна величина на Слънцето в момент на местно пладне | |
| Слънчева константа (за Земята) | |
| Видим ъглов диаметър на Слънцето | |
| Маса на Земята | |
| Радиус на Земята | |
| Тропична година | |
| Маса на Юпитер | |
| Радиус на орбитата на Юпитер |
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 , по следния начин:
където е орбиталният период на двойната система, е истинският период на въртене на пулсара около оста му, а 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) |
|---|---|---|---|
| 1 | 5740.654 | 7587.8889 | - 0.92 ± 0.08 |
| 2 | 5740.703 | 7587.8334 | - 0.24 ± 0.08 |
| 3 | 5746.100 | 7588.4100 | - 1.68 ± 0.04 |
| 4 | 5746.675 | 7588.5810 | + 1.67 ± 0.06 |
| 5 | 5981.811 | 7587.8836 | + 0.72 ± 0.06 |
| 6 | 5983.932 | 7587.8552 | - 0.44 ± 0.08 |
| 7 | 6005.893 | 7589.1029 | + 0.52 ± 0.08 |
| 8 | 6040.857 | 7589.1350 | + 0.00 ± 0.04 |
| 9 | 6335.904 | 7589.1358 | + 0.00 ± 0.02 |
Ако начертаем графика показваща зависимостта на ускорението като функция на , 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, , неговия орбитален период, , и радиуса на орбитата му , , 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 , и . Направете оценка и за техните грешки.
(D1.4) (4 т.)
Получете изрази за и като функции на , , .
(D1.5) (6 т.)
Пресметнете приблизителните стойности на и , използвайки Вашите оценки, направени в подусловие (D1.3), като оцените и техните грешки.
(D1.6) (4 т.)
Пресметнете орбиталните фази, , които съответстват на наблюденията със следните номера на редовете в таблицата: 1, 4, 6, 8, 9.
(D1.7)
Подобрете оценката си за орбиталния период, , използвайки резултатите от подусловие (D1.6), по следния начин:
(D1.7a) Първо, определете началния момент (initial epoch), , 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, , съответстващ на всяка една фаза, се задава с израза:
където е броят пълни орбитални цикли, които са преминали от между и (или ). Оценете стойностите на и за всяко едно от наблюденията, разгледани в подусловие (D1.6). Пресметнете разликата между наблюдавания момент и изчисления момент . Въведете получените резултати в съответните полета в таблицата за отговори (Summary Answersheet). [7 т.]
(D1.7c) Начертайте графика на зависимостта от и я означете с “D1.7”. [4 т.]
(D1.7d) Определете уточнените стойности на началния момент (initial epoch), , и на орбиталния период, . [7 т.]
Решение
D1.1
Graph Number : D1.1
- Plot uses more than 50% of graph paper: 0.5
- Axes labels ( and ): 0.5
- Dimensions of axes: 0.5
- Ticks and values on axes (or scale written explicitly): 0.5
- Points correctly plotted:
| Points plotted | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Marks given | 4.0 | 3.5 | 3.0 | 2.0 | 1.0 | 0 |
Correctness of points: deduction of 0.5 for each wrong point.
- Errorbars on points (at least 5): 1.0

D1.2
See above
- Elliptical curve with visual best fit: 1.0
- Curve symmetric about line: 0.5
- Curve symmetric about some value of (): 0.5
D1.3
Values are determined from lengths of axes of ellipse and mid-point of -axis.
Error margins may be determined by estimating extreme ellipses covering the points with errorbars. Any reasonable method of estimating error margins will be accepted.
[ on graph]
[2.0]
[2.0]
[ on graph] [3.0]
- Marking table:
| Parameter | Half credit Minimum | Full credit Minimum | Full credit Maximum | Half credit Maximum |
|---|---|---|---|---|
| (μs) | 0.59 | 0.63 | 0.71 | 0.75 |
| (μs) | 0.01 | 0.02 | 0.04 | 0.05 |
| (μs) | 7588.38 | 7588.43 | 7588.53 | 7588.58 |
| (μs) | 0.01 | 0.02 | 0.04 | 0.05 |
| (m s) | 1.61 | 1.65 | 1.77 | 1.81 |
| (m s) | 0.04 | 0.05 | 0.07 | 0.08 |
- Wrong values due to wrong/poor plot/fit in (D1.1) and (D1.2) WILL BE penalised.
- Error estimation is based on graph drawing. Quoted values correspond to the envelope of possible ellipses drawn to include all points with errorbars. Any reasonable method to estimate error to be given credit.
D1.4
We can easily recover the orbital period () and the radius of the orbit () in a circular orbit:
[1.0]
[1.0]
[1.0]
[1.0]
Alternative algebraic routes accepted. Each of and carry 2.0 marks.
D1.5
[1.0]
[1.0]
[1.0]
[1.0]
[1.0]
[1.0]
Errors in and can be also estimated as maximum possible (worst case) error. In such case, errors would be about 1.5 times the standard error calculated above ().
D1.6
Using these newly determined orbital parameters, we can calculate the angular orbital phase for each data point, i.e., for each pair of acceleration and period measured (, ).
Care has to be taken to choose the value of the phase from among , depending on the sign of and .
| Sr. no. | (tMJD) | (μs) | (m s) | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 5740.654 | 7587.8889 | −0.92 | 148.62° |
| 4 | 5746.675 | 7588.5810 | +1.67 | 278.77° |
| 6 | 5983.932 | 7587.8552 | −0.44 | 164.57° |
| 8 | 6040.857 | 7589.1350 | +0.00 | 0.00° |
| 9 | 6335.904 | 7589.1358 | +0.00 | 0.00° |
- Credit for each correct value: 1.0 for first three, 0.5 for last two.
- Credit for or is 0.5 per value.
- All values wrong due to wrong expression for gets a maximum of 1.0 mark.
- Values in radians accepted.
D1.7a
[1.0]
[1.0]
Tolerance: tMJD. Using instead of gets zero.
D1.7b
where Integer part of .
| Sr. No. | (tMJD) | (MJD) | (days) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 5740.654 | 148.62° | 0 | 5740.654 | 0.000 |
| 4 | 5746.675 | 278.77° | 5 | 5746.689 | −0.014 |
| 6 | 5983.932 | 164.57° | 216 | 5983.855 | 0.077 |
| 8 | 6040.857 | 0.00° | 267 | 6040.751 | 0.106 |
| 9 | 6335.904 | 0.00° | 529 | 6335.684 | 0.220 |
Deduction for each wrong/missing value of , and : 0.5
No double penalty in one row.
D1.7c
Graph Number : D1.7
- Plot uses more than 50% of graph paper: 0.5
- Axes labels ( and ) including dimensions: 0.5
- Ticks and values on axes (or scale written explicitly): 0.5
- Points correctly plotted: 0.5 for each point
- Goodness of linear fit credited in next part

D1.7d
A linear fit to the plot of vs gives the offset of period per cycle (slope) and the shift in the zero-phase point (intercept). [2.0]
This concept, which may be evident in the subsequent calculation, gains the credit, explicit statement is not necessary.
From a linear fit,
Slope Intercept [3.0]
- Credit for good visual linear fit: 1.0
- Correct values of slope and intercept: 1.0 each
- Tolerance: in slope and in intercept.
[1.0]
[1.0]
Incorrect sign of correction applied carries penalty of 0.5 for each quantity.
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