Звездные взаимоотношения. Муниципальный этап X viii всероссийской олимпиады школьников по астрономии (1) - Документ

Муниципальный этап

(2011/12 учебный год)

7-8 классы

ЗАДАНИЯ

1. Лира, Дева, Скорпион, Весы, Рак. Какое название из этого списка является лишним и почему? 2. Какая из перечисленных звезд – Арктур, Вега, Капелла, Полярная, Сириус – является самой яркой звездой северного полушария неба? В каком созвездии она расположена? Какую примерно звездную величину она имеет? 3. В 1054 году на небе наблюдался взрыв Сверхновой, породивший Крабовидную туманность. Расстояние до Крабовидной туманности – примерно два килопарсека (R = 2 кпк = 6520 световых лет). Сколько лет тому назад взорвалась Сверхновая? 4. На каких планетах земной группы дневное небо черное, голубое и красноватое? Почему? 5. Два раза в году Солнце восходит почти точно на востоке и заходит почти точно на западе. Как называются эти дни? Когда они бывают? Какова продолжительность дня и ночи в эти дни в Иркутске и в Братске? Из какого полушария небесной сферы в какое полушарие переходит при этом Солнце? 6. В состав Солнечной системы входят различные космические объекты – кометы, Солнце, Главный пояс астероидов, объекты пояса Койпера, облако Оорта, планеты. Изобразите на рисунке строение Солнечной системы.

Муниципальный этап

Всероссийской олимпиады школьников по астрономии

(2011/12 учебный год)

7-8 классы

ОТВЕТЫ И РЕШЕНИЯ

1. Лира, т.к. созвездие Лиры не относится к числу зодиакальных, в отличие от всех остальных созвездий из приведенного списка. За выбор принципа отбора - до 4 баллов, за правильное название созвездия – 4 балла 2. Самая яркая звезда на небе – Сириус, но эта звезда находится в южном полушарии неба. Поэтому самая яркая звезда северного полушария – Вега (альфа Лиры). У нее примерно нулевая звездная величина. За знание самой яркой северной звезды – 3 балла, за знание звездной величины – 3 балла, дополнительные знания по теме – 2 балла. 3. С 1054 года прошло 957 лет. Значит, взрыв произошел 957 + 6520 = 7477 лет. Правильный ответ – более 7000 лет назад, поскольку точное расстояние неизвестно (2 кпк – грубая оценка). За выбор способа решения - 2 балла, за вычисление, сколько лет прошло с момента наблюдения Сверхновой – 2 балла, за вычисление истинного возраста Сверхновой – 2 балла, за понимание того, что указывать точное количество прошедших лет бессмысленно из-на недостаточной точности знания расстояния до туманности – 2 балла.4. На Меркурии практически нет атмосферы, поэтому нет рассеяния света и небо черное. На Земле небо голубое из-за рассеяния солнечного света на молекулах воздуха, при этом голубые лучи рассеиваются сильнее, чем красные. На Марсе из-за сильных пылевых бурь атмосфера насыщена мельчайшими пылевыми частичками, имеющими красноватый цвет, как и почва. За знание планет земной группы – 1 балл, за правильные соответствия цвета неба и названий планет – до 3 баллов, за объяснение причин различия цвета неба – до 4 баллов. 5. Речь идет о днях весеннего и осеннего равноденствия. В эти дни на всей Земле Солнце перемещается по небу от восхода до заката почти ровно за 12 часов (без учета рефракции) и, следовательно, в Иркутске, Братске (да и везде в мире) продолжительность дня и ночи одинакова. Весеннее равноденствие наступает, когда Солнце переходит из южного полушария небесной сферы в северное. Это обычно происходит около 21 марта. Осеннее равноденствие наступает, когда Солнце переходит из северного полушария небесной сферы в южное, это обычно наступает 23 сентября. За знание названия дней – 1 балл, за знание дат равноденствий – 2 балла, за понимание, что в эти дни день равен ночи повсюду на Земле – 3 балла, за пояснение, когда из какого полушария переходит Солнце – 2 балла. 6. Солнце в центре, 8 планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) движутся почти по окружностям вокруг Солнца. Между орбитами Марса и Юпитера – главный пояс астероидов. За орбитой Нептуна – пояс Койпера, в нем находится карликовая планета Плутон и множество других ледяных небесных тел. Далеко за поясом Койпера находится еще один пояс – облако Оорта из множества ледяных кометных ядер. В планетной зоне Солнечной системы кометы двигаются, как правило, по сильно вытянутым орбитам. Если рисунок содержит всю указанную информацию, можно оценить его в 9 баллов, недостатки и ошибки снижают оценку.

Муниципальный этап

Всероссийской олимпиады школьников по астрономии

(2011/12 учебный год)

9-10 классы

ЗАДАНИЯ

1. Знаменитый пульсар NP 0531 в Крабовидной туманности имеет период Т = 0,033 с. Оценить его плотность.2. Почему полная фаза солнечного затмения продолжается намного меньше, чем полная фаза лунного затмения?3. Известно, что Солнце вращается неравномерно – экватор быстрее, чем высокие широты. На сколько градусов солнечное пятно, расположенное вблизи экватора (период вращения здесь равен 25 суткам) за один оборот обгонит другое пятно, расположенное на широте 30 градусов (период вращения Солнца здесь равен 26,3 суток).4. Нарисуйте, как вы представляете себе нашу Галактику. Напишите, какие объекты входят в ее состав. Укажите на рисунке, где примерно расположено наше Солнце. 5. Дайте определение каждому из терминов: метеор, болид, астероид, комета, метеорит. Почему астрономы считают неправильным словосочетание «Тунгусский метеорит»? Какова основная идея, объясняющая Тунгусское явление? 6. В интернете обсуждается идея о том, что по орбите Земли (всегда обратной стороны от Солнца) движется еще одна крупная планета, которую мы никогда не видим. Астрономы уверены, что это не так. Как Вы думаете, какие доводы приводят астрономы в пользу своей версии?

Муниципальный этап

Всероссийской олимпиады школьников по астрономии

(2011/12 учебный год)

9-10 классы

Рекомендуется оценивать решение по 8-балльной системе (от 0 до 8). В исключительных случаях, при полном решении с предложением идей, расширяющих и дополняющих задание, может быть выставлена оценка в 9 баллов.

ОТВЕТЫ И РЕШЕНИЯ

Где М – масса пульсара, R – его радиус, V – линейная скорость точки на экваторе пульсара. Быстрее вращаться пульсар не может, иначе его разорвет центробежная сила. Поскольку объем шара W = (3), плотность ρ = М / W, получим

Отсюда плотность пульсара в Крабовидной туманности ρ = 3π/GT 2 = = 1,3∙10 14 кг/м 3 . За знание каждой из формул (1), (2), (3) – по 2 балла, за дальнейший ход рассуждений и правильность вычислений – по 1 баллу. Во время полного лунного затмения Луна полностью уходит в конус земной тени, диаметр которой в 3 раза больше диаметра Луны. Луна, обладая диаметром примерно 3500 км, сместится на величину своего диаметра за 3500 с (почти час), значит, всю земную тень она преодолеет почти за 3 часа. В результате полная фаза лунного затмения продолжается гораздо дольше (часы), нежели полная фаза солнечного затмения (минуты).За объяснения явлений солнечного и лунного затмений (желательно с рисунками) – до 2 балла, объяснение продолжительности каждого из типов затмений – до 2 баллов.

Пусть оба пятна сначала находятся на центральном меридиане Солнца, то есть линии, соединяющей оба полюса и проходящей через видимый центр диска Солнца. Пятно на широте 30º через 26,3 суток снова окажется на центральном меридиане. Значит, пятно, расположенное на экваторе, обгонит первое пятно на дугу, которую оно пройдет еще через 26.3 – 25 = 1,3 суток.

За правильный ход решения – до 6 баллов, за правильность расчетов – до 2 баллов.

Метеор – это свечение, возникающее при вхождении в атмосферу Земли частицы вещества из космоса (размерами от пылинки до миллиметров). Болид – очень яркий метеор (сгорает частица вещества размером в сантиметры – первые метры). Астероид – каменная либо железная глыба с размерами от метров до сотен километров, двигающаяся по замкнутой орбите вокруг Солнца. Комета - ледяная глыба размерами от десятков метров до десятков километров, двигающаяся по вытянутой орбите вокруг Солнца. Метеорит – фрагмент астероида, упавший на поверхность планеты. Поскольку ни одного фрагмента Тунгусского космического тела не найдено, название «Тунгусский метеорит» неверно. Считается, что Тунгусское космическое тело – это небольшое ледяное ядро кометы, взрывообразно испарившееся в атмосфере Земли. За знание каждого термина – 1 балл, за качество изложения – до 1 балла, за знание основной гипотезы о Тунгусском явлении – до 2 баллов.

Крупная планета на орбите Земли влияла бы своим тяготением на соседние планеты – Марс и Венеру, которые должны периодически с ней сближаться. В результате Марс и Венера двигались бы совсем не так, как они движутся на самом деле, их орбиты должны были постоянно «возмущаться» (изменять свои параметры под влиянием планеты). Поскольку это не так, значит, никакой крупной планеты за Солнцем нет. Еще один довод – космические аппараты, перемещаясь по всей Солнечной системе (включая и зону «за Солнцем»), никакой крупной планеты там не обнаружили.

Муниципальный этап

Всероссийской олимпиады школьников по астрономии

(2011/12 учебный год)

11 классы

ЗАДАНИЯ

В интернете сообщают о планете Нибиру, которая якобы должна в 2012 пройти вблизи Земли, вызывая на ней катаклизмы. Профессиональные астрономы утверждают, что никакой планеты Нибиру не существует. Какие доводы можно привести в пользу того, что астрономы правы?

Две одинаковые по массе автоматические межпланетные станции (АМС) совершают мягкие посадки: первая – на Венеру, вторая – на Марс. На какой из планет – Земле, Венере или Марсе – эти АМС имеют наибольший вес? Ускорение свободного падения на Земле и Венере считать одинаковыми, а на Марсе g = 3,7 м/с 2 .

Две одинаковые нейтронные звезды обращаются вокруг общего центра масс по круговой орбите с периодом 7 часов. На каком расстоянии они находятся, если их массы больше массы Солнца в 1,4 раз? Масса Солнца М ¤ = 2·10 30 кг.

Во сколько раз звезда-сверхгигант со светимостью 10000 L ž больше, чем звезда главной последовательности, если их температуры одинаковы и равны 5800°?

В 1054 году в нашей Галактике вспыхнула Сверхновая в созвездии Тельца. В настоящее время на этом месте наблюдается знаменитая Крабовидная туманность. Измерение лучевых скоростей газа в туманности показало, что она расширяется со скоростью около 1200 км/с от центра. Угловые размеры туманности, измеренные в 2004 году, составили примерно 5´. Оценить примерное расстояние до Крабовидной туманности в парсеках (1 пк = 3,086∙10 16 м).

Муниципальный этап

Всероссийской олимпиады школьников по астрономии

(2011/12 учебный год)

11 классы

ОТВЕТЫ И РЕШЕНИЯ

Рекомендуется оценивать решение по 8-балльной системе (от 0 до 8). В исключительных случаях, при полном решении с предложением идей, расширяющих и дополняющих задание, может быть выставлена оценка в 9 баллов.

Доводы могут быть следующими.

Наибольший вес будет на Земле. Вес АМС на Венере будет меньше, чем на Земле, из-за чрезвычайно плотной атмосферы (закон Архимеда). На Марсе АМС будет иметь наименьший вес. За определение веса АМС на всех планетах (p = mg) и знание значения g на Земле – 2 балла, за учет силы Архимеда на всех трех планетах – 4 балла, за обоснованный вывод – 2 балла.

Звезды находятся на расстоянии 2R друг от друга и притягиваются друг к другу с силой

Рисунок должен отражать, что наша Галактика имеет форму спирали. Примерные размеры Галактики и расстояние Солнца от центра Галактики должны быть выдержаны в соответствующем масштабе. В центре Галактики открыта сверхмассивная черная дыра с массой около 3 миллионов масс Солнца. Показать, что спиральные рукава состоят в основном из множества звезд. Хорошо, если на рисунке будут изображены шаровые скопления. Рассеянные скопления, гигантские молекулярные облака на рисунке не изображаются в данном масштабе, но могут быть перечислены. Могут быть перечислены различные типы звезд (звезды главной последовательности, гиганты, сверхгиганты, белые карлики, нейтронные звезды), межзвездный газ, межзвездная пыль, но эти объекты на рисунке не отражаются.

Звезда главной последовательности с температурой 5800° – это Солнце. Светимость Солнца L ž =1. Светимость звезды равна L = sТ 4 × 4pR 2 (1), где R – радиус звезды. Их температуры равны, откуда радиус сверхгиганта в 100 раз больше радиуса звезды главной последовательности (Солнца). За отождествление первой звезды с Солнцем – до 2 баллов. За знание формулы (1) – до 2 баллов. Ход рассуждений – до 2 баллов, вычисления – до 2 баллов.

R = = 159,5пк ≈ 1,6 кпк.

Настоящие методические рекомендации подготовлены центральной предметно-методической комиссией по обществознанию и направлены на помощь соответствующим методическим комиссиям и жюри в составлении заданий для школьного и муниципального

104. Планета движется по круговой орбите вокруг звезды. Каким станет эксцентриситет орбиты, если масса звезды мгновенно изменится в n раз? 105.Поезд движется со скоростью 60 км/ч на запад вдоль параллели 60° с.ш. Какую продолжительность светлого времени суток зафиксирует пассажир этого поезда 21 марта? Рефракцией пренебречь. 106. Блеск Юпитера в противостоянии составляет –2.8 m , а блеск Урана в противостоянии +5.7 m . Сравнить альбедо Юпитера и Урана. Расстояние Юпитера от Солнца 5.2 а.е., Урана - 19.2 а.е., радиусы планет соответственно 71.4 и 25.4 тыс. км. 107. Блеск Солнца равен –26.8 m . Найти блеск полной Луны, считая ее альбедо равным 0.1. 108. Наблюдатель фиксирует вид неба регулярно в одно и то же звездное время и постоянно видит Солнце на горизонте. В каком месте Земли и в какое звездное время это может произойти? 109. Белый карлик имеет массу 0.6M 0 , светимость 0.001L 0 и температуру 2T 0 . Во сколько раз его средняя плотность выше солнечной? 110. На ясном небе темном Видны соседние миры. Взгляни на свет их ровный Избавься от хандры! Найди рогатое созвездье И в его центр посмотри, И два сияющих брильянта У взгляда встанут на пути: Планета - сила светит ярче Любой сияющей звезды. Но ярче силы светит рядом Богиня вечной красоты. В созвездии тринадцатом Еще два мира светят. И лишь Сатурна нет нигде На небе темном этом. (О.Угольников) В какой сезон года (с точностью до месяца) и в какое время суток могла наблюдаться такая картина? 111.В какой четверти Луна лучше освещает Землю - в первой или в третьей? Ответ обосновать и пояснить рисунком. 112. В ночь с 23 на 24 февраля 1987 года астрономы зафиксировали вспышку сверхновой звезды в галактике Большое Магелланово Облако, расстояние от Земли до которой около 55 кпк. В каком году на самом деле произошла эта вспышка? 113. Приблизительно сколько раз в году при благоприятной погоде могут любоваться полной Луной белые медведи? Наклонение плоскости орбиты Луны к плоскости эклиптики составляет около 5%. Считайте, что белые медведи живут вблизи Северного полюса. 114. Искусственный спутник, находящийся на низкой околоземной орбите, пролетел над Харьковом (j=50° с.ш., l=36° в.д.). Над каким городом или над какой местностью (приблизительно) он пролетит через один оборот вокруг Земли? 115. Год на Меркурии длится T=88,0 суток, а период обращения вокруг своей оси составляет t=58,7 суток (направления обоих вращений совпадают). Найдите продолжительность t меркурианских суток. 116. Определите, внутри или вне Солнца находится центр масс Солнечной системы, пренебрегая массами всех планет, кроме Юпитера. Масса Солнца M в 1050 раз больше массы Юпитера m. Известно, что диаметр Солнца в 108 раз меньше расстояния от Земли до Солнца, а расстояние от Юпитера до Солнца составляет l=5,2 а.е. 117. Оцените, сколько времени длится в Троицке заход Солнца (т. е. время от первого до последнего касания горизонта солнечным диском). Широта Троицка j=55°30" с.ш., долгота l=37°15" в.д., угловой диаметр солнечного диска 2r=32". 118. Вы путешествуете по поясу астероидов, характерная плотность пород которых составляет r=3,5 г/см. Каковы могут быть размеры астероидов, по которым можно бегать (с такой же скоростью, как на Земле), не боясь «упасть» в космос? 119. На какой максимальной высоте может кульминировать Луна в Троицке? Наклонение эклиптики к плоскости небесного экватора составляет e=23,5°, а плоскости орбиты Луны к плоскости эклиптики i=5,1°, широта и долгота Троицка - j=55°30" с.ш., l=37°15" в.д. 120. Гвинейскими астрономами обнаружена одна весьма плотная планета. Период обращения планеты вокруг своей оси составляет всего лишь T=6 мин. Какой может быть плотность этой планеты? 121. Определите, внутри или вне Солнца находится центр масс Солнечной системы? Необходимые данные возьмите из таблиц Солнечной системы. Видимый с Земли угловой размер Солнца a=9,3-10-3 рад, а его масса - в 333 000 раз больше массы Земли. 122. Насколько различаются видимые звездные величины Солнца летом и зимой, если эксцентриситет земной орбиты составляет e=0,017? 123. На небе имеется около 160 тысяч звезд ярче 10m. Считая, что они распределены по небу равномерно, оцените, как часто происходит их покрытие Луной. 124. С какой планеты, Венеры или Марса, легче (по энергетическим соображениям) запустить космический зонд на поверхность Солнца, каким образом следует это осуществить? Какое время будет длиться полет? Необходимые данные возьмите из таблиц Солнечной системы. 125. Некоторая галактика наблюдается как диск с угловым размером около a=0,5", а красное доплеровское смещение в спектрах этой галактики составляет 2% (dl/l=0,02). Сравните эту галактику с нашей по размерам. Постоянную Хаббла считать равной H=75 км/с-Мпк. 126. Малая планета № 887 (астероид Алинда) обращается вокруг Солнца по вытянутой эллиптической орбите. Для наблюдателя, находящегося вблизи Солнца, ее блеск меняется на dm=5,24m. Определите, насколько меняется звездная величина Солнца (dm), если наблюдать его с Алинды. 127. На просторах Тихого океана, между -или, Новой Зеландией и Антарктидой, находится точка Земного шара, диаметрально противоположная нам. Наш исследователь, стоящий «в чистом поле», наблюдает заход Солнца. Солнечный диск только что коснулся горизонта своим нижним краем. Что в этот же самый момент увидит наблюдатель в диаметрально противоположной точке Земного шара? 128. Наверное, Вы нередко замечали, что порой ночью у котов ярко светятся глаза (как правило, желтым или зеленым светом), особенно, если невдалеке имеется источник света - уличный фонарь, например. Наиболее хорошо блеск кошачьих глаз будет заметен, если Вы правильно выберете взаимное расположение себя, фонаря и кота. А теперь представьте, что Вы наблюдаете кота, любующегося полной Луной. Принимая расстояние от себя до кота равным 5 метрам (как правило, ближе коты ночью людей не подпускают), примерно оцените максимально возможную звездную величину каждого кошачьего глаза m. Звездная величина Луны в полнолуние равна m=-12,7m. Иные сведения о Луне и котах вспомните сами. 129. Космический корабль совершает перелет от Земли к Марсу по орбите Гомана-Цандера (в перигелии эта орбита касается орбиты Земли, а в афелии - орбиты Марса). Найдите время такого перелета, а также минимальное время, в течение которого космонавтам придется ожидать на Марсе момента отправления в обратный путь по орбите такой же формы. Из численных данных Вам известны только периоды обращения Земли и Марса вокруг Солнца, соответственно: T=365,25 суток и T=687 суток. Орбиты планет считать круговыми и лежащими в одной плоскости. 130. Оцените приблизительно размер солнечного паруса, с помощью которого можно было бы свободно путешествовать по Солнечной системе на космическом корабле-яхте массой m=10 тонн (массой паруса можно пренебречь). Солнечная постоянная равна A=1,4 кВт/м2, расстояние от Земли до Солнца R=150 млн. км.131. 7 января 2004 года было полнолуние. Как видна сегодня Луна? В какое время дня, вечером или утром, мы видим Луну сегодня? В какой она будет фазе? Можно ли сказать, что при хорошей погоде сегодня будет безлунная ночь? Сделать поясняющий рисунок.132. 5 мая 2004 года наступит полное солнечное затмение, видимое со всей территории России. И в этот же день будет полнолуние. Совпадение или нет этих двух астрономических явлений? Сделать поясняющий чертеж.133. В настоящее время известно 88 созвездий. Могут ли ученые открыть 89 созвездие с ростом технических возможностей новых телескопов?134. Во сколько времени сегодня 24 января 2004 года в Москве наступит полдень? А летом?135. Как меняется высота Солнца над горизонтом в течение года в Москве? Когда высота Солнца над горизонтом наибольшая и когда наименьшая?136. 28 августа 2003 года было великое противостояние Марса. 15 сентября 2004 года будет соединение. Среднее расстояние Марса от Солнца – 1,5 а.е. Сколько времени идет сигнал от автоматической межпланетной станции, работающей на орбите Марса до Земли в противостоянии и в соединении?137. На задней части крыши марсохода «Спирит» установлены солнечные часы с надписью «Два мира одно Солнце». Рассматривая изображения солнечных часов, можно определить местное солнечное время. Почему на Марсе могут работать солнечные часы? На каких еще планетах Солнечной системы могут работать солнечные часы?138. Расстояние до Крабовидной туманности два килопарсека (R ≈ 2 кпк). В Крабовидной туманности Сверхновая взорвалась в 1054 году. Сколько лет назад взорвалась Сверхновая 1054 года? Подсказка. Расстояние до Крабовидной туманности R ≈ 2 кпк ≈ 6520 св. лет.139. Какая из перечисленных звезд - Арктур, Вега, Капелла, Полярная, Сириус - является самой яркой звездой северного полушария неба? В каком созвездии она расположена и какую примерно имеет видимую звездную величину?140. Созвездия Рака и Льва являются зодиакальными созвездиями. Каким знакам Зодиака они соответствуют зимним или летним? Когда мы видим созвездия Рака и Льва – летом или зимой? И какое это имеет отношение к знакам зодиака? Сколько на небе зодиакальных созвездий?141. 28 августа 2003 года было великое противостояние Марса. 15 сентября 2004 года будет соединение. Один из марсианских вездеходов «Спирит» («Дух») был запущен 10 июня 2003 года и 3 января 2004 совершил посадку на Марс. Среднее расстояние Марса от Солнца – 1,5 а. Е. Нарисуйте траекторию полета. Сколько времени от Марса до Земли идет сообщение от марсохода «Спирит»? 142. 950 лет назад взорвалась Сверхновая звезда в Тельце, образовав знаменитую Крабовидную туманность. Пульсар NP 0531 – знаменитый пульсар в Крабовидной туманности – имеет период Т = 0,033 с. Оценить его плотность. .143. Две нейтронные звезды вращаются вокруг общего центра с периодом 7 часов. На каком расстоянии они находятся, если их массы больше массы Солнца в 1,4 раз? Масса Солнца М=210 30 кг.144. Вращение Солнца происходит с востока на запад, т.е. восточный край приближается к нам, а западный удаляется. Земля же вращается с запада на восток. Параллельны или антипараллельны векторы угловых скоростей Солнца и Земли?145. В XIX веке вопрос об источнике энергии Солнца Дж. Гершель назвал «великой тайной». Среди первых научных гипотез было предположение, что наше дневное светило является раскаленным остывающим телом или представляет собой химически горящее тело. Юлиус Роберт Майер в середине XIX века показал, что даже если Солнце состояло бы из чистого каменного угля, оно сгорело бы за исторически короткий промежуток времени. Сделайте оценку этого времени.Подсказка . Масса Солнца М =210 30 кг, светимость Солнца L=3,810 26 Вт, удельная теплота сгорания каменного угля q=2,710 7 Дж/кг.146. По телевидению 11 января 2004 года, ведя передачу о Марсе, журналисты сообщили, что «трудно управлять аппаратом, когда он за 400 миллионов километров от Земли». Докажите, что журналисты ошиблись.Подсказка. 28 августа 2003 года было великое противостояние Марса. 15 сентября 2004 года будет соединение. Марсианский вездеход «Спирит» («Дух») был запущен 10 июня 2003 года и 5 января 2004 совершил посадку на Марс. Среднее расстояние Марса от Солнца – 1,5 а.е. Сделайте поясняющий чертеж. 147. В 1054 году в нашей Галактике вспыхнула Сверхновая в Тельце. В настоящее время на этом месте наблюдается знаменитая Крабовидная туманность. Измерение лучевых скоростей газа в туманности показало, что она расширяется со скоростью около 1200 км/с от центра. Угловые размеры туманности около 5´. Оценить примерное расстояние до Крабовидной туманности.148. В XIX веке вопрос об источнике энергии Солнца Дж. Гершель назвал «великой тайной». Среди первых научных гипотез было предположение, что наше дневное светило является раскаленным остывающим телом или представляет собой химически горящее тело. Ю. Р. Майер в середине XIX века показал, что даже если Солнце состояло бы из чистого каменного угля, оно сгорело бы за исторически короткий промежуток времени. Сделайте оценку этого времени.Ю.Р. Майер был автором метеоритной гипотезы происхождения энергии Солнца. Какие наблюдения и теоретические соображения опровергли эту гипотезу?Подсказка . Масса Солнца М =210 30 кг, светимость Солнца L=3,810 26 Вт, удельная теплота сгорания каменного угля q=2,710 7 Дж/кг.149. Три звезды имеют одинаковые размеры, но температура первой звезды 30 000К, второй звезды 10 000К, а третьей звезды – 3000К. Какая из этих звезд излучает больше энергии, и в какой области спектра?150. Две сливающиеся нейтронные звезды вращаются таким образом, что они касаются друг друга. Найти их период орбитального движения, если их радиусы 10 км, а масса больше массы Солнца в 1,4 раз (М=1,4 М). Масса Солнца М=210 30 кг.151. 8 июня 2004 года произойдет событие, которое не видел никто из живущих ныне на Земле людей. Это очень редкое и чрезвычайно интересное астрономическое явление - прохождение планеты Венера по диску Солнца. 6 мая 1761 во время прохождения планеты Венеры по диску Солнца М.В. Ломоносов открыл существование атмосферы у Венеры, впервые правильно истолковав «выпячивание» солнечного края при двукратном прохождении Венеры через край диска Солнца. Прохождения Венеры по диску Солнца группируются парами с интервалом в 8 лет одно от другого. А между парами проходит либо 121,5 лет либо 105,5 лет.Вот перечень четырех пар:

Какие планеты могут проходить по диску Солнца? Какая из них проходит по диску Солнца чаще и почему? Как пересекает диск Солнца Венера, справа-налево или слева-направо? Почему прохождения наблюдаются только в начале июня и декабря? Почему между двумя последовательными прохождениями должно пройти не менее 8 лет?

180.Увидит ли наблюдатель на Марсе Полярную звезду в созвездии М.Медведицы и будет ли она ориентиром? 181.Различают четыре основных фазы Луны: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть. В новолуние Ф = 0, в первую четверть Ф = 0,5, в полнолуние фаза равна Ф = 1,0, а в последнюю четверть снова Ф = 0,5. Завтра, 29 января 2006 года будет новолуние. Какая фаза будет у Луны 29 марта? В какой стороне неба будет видна Луна в эту дату? В эту же дату будет полное солнечное затмение. Является ли это простым совпадением двух астрономических явлений? Сделайте поясняющий чертеж.182.29 марта 2006 года будет полное солнечное затмение, видимое в России. Почему полное лунное затмение можно наблюдать со всей территорий огромной страны одновременно, а солнечное затмение – только из нескольких определенных мест и при этом в разное время? Что означает фаза Ф = 0,65?
183.Солнце находится на расстоянии 7,5 кпк от центра Галактики и движется со скоростью 220 км/с. За какой период времени Солнце совершает полный оборот вокруг центра Галактики? 184.На рисунке изображены восходы и заходы Солнца в северном полушарии. Укажите, в чем ошибка художника и нарисуйте верный рисунок.
185.В каком направлении происходит видимое движение Солнца и Луны относительно звезд? По каким созвездиям проходит в течение года Солнце, сколько таких созвездий? 186.В индейской сказке «О белой кувшинке» говорится: «Ваби приподнял кожаный полог, и глаза его от удивления стали круглыми, как у совы. Звезды – голубоватые, зеленые, крохотные и чуть крупнее – весело шевелили лучами почти у самого его носа!». Что неверно данном описании? 187.На приведенном рисунке художник изобразил Луну на фоне звездного неба. Что на этом рисунке изображено неправильно и почему? А как надо верно нарисовать?
188.Какие созвездия северного неба указывают на северный полюс мира? В каком созвездии он расположен? Сделайте чертеж. Какие созвездия южного неба можно использовать как ориентиры для определения местоположения южного полюса мира? В каком созвездии расположен южный полюс мира? 189.Назовите самую большую и самую маленькую планету Солнечной системы. Где они расположены по отношению к Солнцу, у какой из этих планет имеются спутники? 190.Самая яркая комета Мак Нота за последние десятилетия, открытая 7 августа 2006 года, имеет перигелий Q = 0,17 а.е., большую полуось а = 5681 а.е. Сейчас комета Мак Нота достигла максимальной видимой величины m = – 4. Она сейчас настолько яркая, что ее можно увидеть даже днем, если заслонить рукой Солнце, но, к сожалению, только в южном полушарии Земли. Нарисуйте орбиту кометы Мак Нота, Солнце, Землю, другие планеты. 191.В настоящее время космический аппарат Кассини исследует и фотографирует планету Сатурн и его спутники. Расстояние от Сатурна до Солнца 29,46 астрономические единицы. За какое минимальное время информация, полученная аппаратом, достигает Земли? 192.Известна такая загадка о Луне: « Всю ночь за облаками Светил фонарь с рогами». Найдите в загадке астрономическую ошибку. 193.Что представляют собой две самые яркие, видимые даже невооруженным глазом, туманности земного неба Туманность Андромеды и Туманность Ориона, из чего они состоят, и за счет чего они светят? 194.29 марта 2006 г. произошло солнечное затмение, в каком созвездии в этот момент находилась Луна? 195.Самая яркая комета Мак Нота за последние десятилетия, открытая 7 августа 2006 года, имеет перигелий Q = 0,17 а.е., большую полуось а = 5681 а.е. Сейчас комета Мак Нота достигла максимальной видимой величины m = – 4. Она сейчас настолько яркая, что ее можно увидеть даже днем, если заслонить рукой Солнце, но, к сожалению, только в южном полушарии Земли. Комета Галлея имеет перигелий Q = 0,6 а.е. В последний раз комета Галлея прошла перигелий в 1986 году. В 2023 году комета окажется в самой удаленной точке своей орбиты - более чем в 5 миллиардах километров (q = 35 а.е.) от Солнца. Нарисуйте орбиту кометы Мак Нота, Солнце, Землю, другие планеты. Нарисуйте примерный вид кометы сейчас. Нарисуйте орбиту кометы Галлея, Солнце, Землю, другие планеты. Нарисуйте примерный вид кометы сейчас и в 1986 году. 196.Сейчас (днем 27 января 2007 года) над горизонтом могут быть видны Венера, Нептун, Меркурий, Марс, Юпитер, Уран и карликовая планета Плутон. Как называется такое расположение планет? Какая планета будет видна ночью? 197.20 января Солнце перешло из созвездия Стрельца в созвездие Козерога. Сейчас (днем 27 января 2007 года) Меркурий и Венера находятся в созвездии Козерога, Марс – в созвездии Стрельца, Нептун в созвездии Козерога, карликовая планета Плутон находится на границе созвездий Стрельца и Змееносца, карликовая планета Церера находится в созвездии Рыбы, Юпитер – на границе созвездий Змееносца и Скорпиона. Уран находится в созвездии Водолея, граничащим с созвездием Козерога. Сатурн находится в созвездии Льва. Как называется такое расположение планет? Сколько больших планет сейчас находится над горизонтом? Сколько карликовых планет сейчас находится над горизонтом? Сколько больших планет можно будет наблюдать всю ночь? 198.Земля, двигаясь вокруг Солнца по эллиптической орбите, в январе бывает ближе к Солнцу почти на 5 млн. км, чем в июле. Так почему же в январе у нас холоднее, чем в июле? 199.В момент противостояния Сатурн находится в созвездии Льва. В какой момент времени Сатурн пересечет небесный меридиан над точкой юга? В каком созвездии в этот момент находится Солнце? 200.Наибольшее удаление Венеры от Солнца составляет 48˚. Нарисуйте взаимное расположение Венеры, Земли и Солнца в момент наибольшего удаления Венеры от Солнца и определите расстояние Венеры от Солнца в астрономических единицах и километрах.201.Мощность излучения Солнца L 0 = 4·10 26 вт. Сколько энергии излучит Солнце за один год? Согласно теории относительности энергия эквивалентна массе, поэтому оцените, сколько массы теряет Солнце каждый год за счет излучения. Солнце «умрет», если потеряет 0,001 своей массы. Оцените время жизни Солнца.202.Роберт Хайнлайн в романе «Дорога доблести» описывает планету - Центр галактической империи. Планета эта «размером с Марс», сила тяжести на ней «почти земная». Что можно сказать о плотности этой планеты? Каковы для этой планеты первая и вторая космическая скорости? Каков период обращения спутника на низкой орбите? Радиус Марса - 3400 км, гравитационная постоянная G = 6,6710 -11 Нм 2 /кг 2 . 203.20 января Солнце перешло из созвездия Стрельца в созвездие Козерога. Сейчас (днем 27 января 2007 года) Меркурий и Венера находятся в созвездии Козерога, Марс – в созвездии Стрельца, Нептун в созвездии Козерога, карликовая планета Плутон находится на границе созвездий Стрельца и Змееносца, карликовая планета Церера находится в созвездии Рыбы, Юпитер – на границе созвездий Змееносца и Скорпиона. Уран находится в созвездии Водолея, граничащим с созвездием Козерога. Сатурн находится в созвездии Льва. Как называется такое расположение планет? Сколько больших планет сейчас находится над горизонтом? Сколько карликовых планет сейчас находится над горизонтом? Сколько больших планет можно будет наблюдать всю ночь? 204.Земля, двигаясь вокруг Солнца по эллиптической орбите, в январе бывает ближе к Солнцу почти на 5 млн. км, чем в июле. Так почему же в январе у нас холоднее, чем в июле? 205.В момент противостояния Сатурн находится в созвездии Льва. В какой момент времени Сатурн пересечет небесный меридиан над точкой юга? В каком созвездии в этот момент находится Солнце? 206.Наибольшее удаление Венеры от Солнца составляет 48˚. Нарисуйте взаимное расположение Венеры, Земли и Солнца в момент наибольшего удаления Венеры от Солнца и определите расстояние Венеры от Солнца в астрономических единицах и километрах. Наибольшая восточная элонгация Венеры произойдет 9 июня 2007 г, когда произойдет следующая наибольшая восточная элонгация Венеры? Сидерический период обращения Венеры вокруг Солнца равен Т = 0,615 года.Роберт Хайнлайн в романе «Дорога доблести» описывает планету - Центр галактической империи. Планета эта «размером с Марс», сила тяжести на ней «почти земная». Что можно сказать о плотности этой планеты? Каковы для этой планеты первая и вторая космическая скорости? Каков период обращения спутника на низкой орбите? Радиус Марса - 3400 км, гравитационная постоянная G = 6,6710 -11 Нм 2 /кг 2 . 207.Линия водорода Н γ с длиной волны λ 0 = 4340А, измеренная в спектре далекой галактике имеет λ = 4774А. Измеренные угловые размеры галактики равны 10"". Определите, с какой скоростью и куда движется эта галактика, на каком расстоянии она находится и каков ее линейный диаметр в парсеках. Сравните с диаметром Млечного Пути. 208.Как можно отличить возрастающую Луну от убывающей? 209.Чем можно объяснить тот факт, что Луна постоянно обращена к Земле одной своей стороной? 210.Какие явления описывает А.С. Пушкин в стихотворении “Месяц”? “ И тени легкие редели Пред неожиданной зарей? Зачем ты, месяц, укатился И в небе светлом утонул? Зачем луч утренний блеснул?” 211.По данным, полученным астрономами с помощью космических аппаратов, на одном из спутников планеты Солнечной системы имеются действующие вулканы, а другой спутник этой же планеты покрыт толстым слоем водяного льда. Как называется эта планета и ее упомянутые спутники? 212.Нарисуйте, как Вы представляете себе Солнечную систему. Из каких объектов она состоит? 213.Где сегодня день равен ночи? 214.Какую часть суток проводит над горизонтом звезда, расположенная точно на небесном экваторе? 215.Какие астрономические инструменты можно встретить на карте звездного неба в виде созвездий? А названия каких еще приборов и механизмов можно встретить на этой карте? 216."После захода Солнца стало быстро темнеть. Еще не зажглись на темно-синем небе первые звезды, а на востоке уже ослепительно сияла Венера". Все ли верно в этом описании? 217.Кеплер в книге "Лунная астрономия" писал: "Левания (Луна) состоит из двух полушарий: одно обращено к Земле, другое – в противоположную сторону. С первого всегда видна Земля, со второго Землю увидеть невозможно … В Левании, как и у нас, происходит смена дней и ночей … Кажется, что Земля неподвижна". Верны ли сведения о Луне, приведенные Кеплером? Чему равны сутки на Луне? 218.В каких точках горизонта восходит Солнце в дни весеннего равноденствия, летнего солнцестояния, осеннего равноденствия, зимнего солнцестояния? 219.Какие явления характерны для Земли и Солнца в период высокой солнечной активности? 220.Чему равны сутки на Луне, как видна Земля для космонавта на Луне и существуют ли области на Луне, где Земля восходит и заходит? 221.23 февраля 1987 г. в Большом Магеллановом Облаке, удаленном от нас на 55 кпк, наблюдалась вспышка сверхновой звезды. В каком году взорвалась эта звезда? 222. Какие явления описывает А.С. Пушкин в стихотворении “Надо мной в лазури ясной...”? "Надо мной в лазури ясной Светит звездочка одна, Справа - запад темнокрасный, Слева - бледная луна". 223.Двигаясь невысоко над поверхностью Земли (от 200 до 1000 км), искусственный спутник испытывает заметное сопротивление атмосферы. Как при этом изменяется его скорость: увеличивается или уменьшается? 224.Период обращения вокруг Солнца самой короткопериодической кометы Энке составляет 3.3 года. Почему же условия ее видимости повторяются с характерным периодом в 10 лет? 225.Каков период обращения искусственного спутника Земли, движущегося на расстоянии 1600 км от поверхности Земли? 226.Какое из двух астрономических явлений - касательное покрытие Луной звезды или касательное покрытие Луной планеты - является одним из самых интересных для науки астрономических явлений и почему? 227.21 сентября 1999 года произошло покрытие Урана Луной. В этот день Уран находился в созвездии Козерога. Какое из двух явлений - покрытие или открытие Урана - можно было легко наблюдать в небольшие телескопы? 228.Что называется солнечным ветром, как образуется этот ветер, как он действует на планеты и как далеко он "дует" в Солнечной системе? 229.Какую долю земной поверхности может охватить взглядом космонавт с высоты 400 км? 230.Две звезды имеют одинаковые размеры, но температура поверхности у первой звезды равна 30000К, а у второй - 5000К. Какая из этих звезд будет излучать больше энергии в синих лучах? В желтых? В красных? 231.Будут ли одинаковы скорость вылета и дальность полета снаряда при выстреле из одной и той же пушки на Земле и на Луне? (сопротивлением земной атмосферы пренебречь) 232.Можно ли увидеть созвездие Южного Креста с территории России? А из северного полушария Земли? Руководитель проекта д.э.н., профессор ПГТУ Гершанок Г.А.

Одинокая звезда — что одинокий человек. Зато когда они объединяются в пары, их жизнь наполняется событиями. Обмениваясь веществом, звезды могут «омолаживаться», становиться переменными, порождать яркие рентгеновские источники. Некоторые двойные распадаются после феерического взрыва сверхновой. Но порой случаются куда более грандиозные катаклизмы, когда звезды сливаются в последнем смертельном объятии. Одиночкам такой финал недоступен. Рис. вверху SPL/EAST NEWS

Представьте себе красивую спиральную галактику. В ней около тысячи миллиардов звезд. Представьте вторую такую же. Теперь давайте столкнем их. Огромные звездные системы свободно проходят сквозь друг друга, лишь причудливо деформируясь под действием взаимного притяжения. Оказывается, звезды при этом не сталкиваются — слишком далеко друг от друга они расположены. Если сделать модель Галактики, представив Солнце шариком диаметром в один сантиметр, ближайшие звезды окажутся на расстоянии около 300 километров. Так что звезда в своей жизни очень одинока, если только судьба не подарила ей звезду-компаньонку.

Двойные звезды встречаются довольно часто. Причем с увеличением массы шансы звезды обрести соседку возрастают: среди звезд-тяжеловесов свыше половины имеют пару. Но даже среди маломассивных звезд около трети находится в составе двойных.

Впрочем, звезды, составляющие систему Альбирео, лишь на первый взгляд кажутся двойняшками, а при ближайшем рассмотрении оказываются тройняшками. Более яркая оранжевая звезда на самом деле сама является двойной, но заметно это лишь в крупные телескопы.

Существуют системы не только из трех, но и из четырех, пяти, шести и даже семи звезд. Правда, их компоненты все равно норовят разбиться на пары. Например, если посмотреть на яркую звезду ε (эпсилон) Лиры в небольшой телескоп, мы увидим, что она двойная (некоторые могут видеть эту пару даже невооруженным глазом). Более мощный инструмент покажет, что каждая из звезд этой пары сама является парой. Наконец, детальные исследования говорят, что одна из четырех звезд является очень тесной двойной.

Такая бинарная пространственная организация не случайна. Она позволяет звездной системе жить долго. Даже если попробовать создать тройную звезду, в которой все светила находятся примерно на равном расстоянии от общего центра масс и «вытанцовывают» вокруг него по замысловатым траекториям, такой «танец» скоро прервется — одна из звезд будет навсегда выброшена из системы. Единственный надежный способ добиться устойчивости для системы высокой кратности (то есть состоящей из трех и более звезд) — это создать ее иерархической. Но тогда взаимодействовать и влиять на эволюцию своих ближайших соседей смогут не все звезды, а лишь те, что находятся в самом низу иерархии. Между остальными членами системы расстояния так велики, что заметного воздействия друг на друга они не оказывают и эволюционируют как одиночные звезды.

Краткая биография одиночной звезды

Жизненный путь одиночной звезды — это последовательная смена основного источника энергии. Сначала сжимающаяся протозвезда разогревается за счет выделения гравитационной энергии. Затем начинаются термоядерные реакции, в ходе которых водород превращается в гелий. В этом состоянии звезда проводит большую часть своей жизни. После исчерпания водорода в ядре звезды могут «гореть» и более тяжелые элементы вплоть до железа. Звезда при этом становится красным гигантом или сверхгигантом. В конце концов, потеряв оболочку, она в зависимости от начальной массы превращается в белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру. Продолжительность жизни звезды также определяется массой: чем звезда массивнее, тем ярче она светит и тем быстрее сжигает запас своего топлива. В течение жизни масса одиночной звезды уменьшается за счет звездного ветра. Чем больше масса — тем сильнее ветер. У Солнца ветер слабый и потеря массы незначительна, а вот у массивных звезд «сдувается» заметная доля вещества. Увеличить массу для одинокой звезды невозможно.

Ты — мне, я — тебе

Для астрофизиков наибольший интерес представляют именно тесные двойные системы. Во-первых, взаимодействие может менять массу звезд — главный параметр, определяющий их свойства. Во-вторых, в процессе обмена массой могут возникать необычные яркие источники излучения, что делает жизнь светила разнообразнее и интереснее для изучения.

Рассмотрим две близкие звезды, мысленно нарисуем соединяющую их линию и рассчитаем, где на ней находится центр масс системы. Если точно в нем поместить камешек, он там и останется — силы притяжения со стороны двух звезд в точности уравновесятся. Если же сместить его в сторону одной из звезд, он станет обращаться вокруг нее по орбите. Иначе говоря, каждая из компонент пары окружена своей «областью влияния», а центр масс — критическая точка, которую называют внутренней точкой Лагранжа. Вещество в такой области вращается вокруг одной из звезд пары, то есть контролируется ее гравитационным полем.

Обычно звезды находятся глубоко внутри своих полостей Роша — областей, где доминирует гравитация одной из компонент двойной системы. Каждая из них надежно удерживает свое вещество, мешая ему покинуть поверхность. Пока сохраняется такое положение дел, звезды системы эволюционируют как одиночные. Но на поздних этапах жизни, когда звезда становится красным гигантом, ее размеры увеличиваются в сотни раз. В результате она рискует не поместиться в своей полости Роша, и тогда ее вещество начнет перетекать на другую звезду — так появляется взаимодействующая двойная.

В двойной системе более массивная звезда первой достигает стадии красного гиганта, поскольку чем больше масса, тем быстрее идет эволюция. Однако с началом взаимодействия меньшая звезда пары начинает наращивать массу за счет соседки. Значит, те, кому вроде бы суждено было стать белым карликом, могут окончить свои дни нейтронной звездой или даже черной дырой. С другой стороны, массивные звезды, быстро старея, могут «перебросить» часть вещества на соседку меньшей массы и выглядеть после этого моложе ее. Именно этим объясняется так называемый парадокс Алголя: у этой затменно-двойной звезды в созвездии Персея менее массивная компонента находится на более поздней стадии эволюции, чем более массивная. Наконец, звезды могут даже слиться друг с другом.

Как правило, если звезды начали обмениваться веществом, то «разовой акцией» это не ограничивается. В при МГУ разработана программа под названием «Машина сценариев» (http://xray.sai.msu.ru/sciwork/scenario . html), предназначенная для расчета судеб двойных звезд. Один из построенных с ее помощью эволюционных треков достаточно типичен и описывает историю двух звезд с массами 12 и 9 солнечных, которые обращаются по орбите, примерно в два с половиной раза превосходящей земную орбиту вокруг Солнца. Более массивная звезда первой заполняет свою полость Роша, и ее вещество начинает перетекать на соседку через внутреннюю точку Лагранжа. Кроме того, часть вещества рассеивается вокруг системы и не участвует в ее дальнейшей эволюции. Когда обмен веществом завершается, первая звезда «худеет» почти в четыре раза, а вторая несколько «поправляется». Кроме того, система стала гораздо компактнее и легче за счет потери вещества. Через несколько миллионов лет компонента, которая вначале была более массивной, взрывается как сверхновая, превращаясь в нейтронную звезду. Но это не значит, что ее судьба теперь окончательно определена, ведь она находится в тесной двойной системе.

Спустя некоторое время наступает черед второй звезды стать красным гигантом. Она тоже заполняет свою полость Роша, и ее вещество начинает перетекать на нейтронную звезду. При этом оно разогревается до миллионов градусов и в галактике загорается яркий рентгеновский источник. Пока происходит перетекание, орбита двойной уменьшается в размерах: во-первых, часть энергии орбитального движения звезд уносит вещество, покидающее систему, во-вторых, к этому приводит выравнивание масс компонент. Последнее легко понять, если учесть, что более тяжелая звезда находится ближе к центру масс системы, а значит скорость ее орбитального движения меньше. Если перенести кусочек ее вещества на более быстро движущуюся соседку, та немного притормозит, а значит, приблизится к центру масс.

Уменьшение орбиты приводит к катастрофическим для системы последствиям: нейтронная звезда попадает внутрь звезды-гиганта. Образуется так называемый объект Торна — Житков. Существование подобных объектов было предсказано в 1977 году Кипом Торном и Анной Житков, однако пока обнаружить их не удается. Окончательным итогом эволюции системы является одиночная черная дыра. И это при том, что по отдельности звезды исходной пары не могли бы породить такой компактный объект.

Если взять массу второй звезды поменьше, скажем, не девять, а две массы Солнца, оставив все прочие параметры без изменения, судьба системы сложится совсем по-другому. Слияния звезд в ней не произойдет. Вместо этого будет несколько стадий обмена веществом, появится яркий (и снова вторая звезда будет при этом перетекать на нейтронную звезду, образовавшуюся из первой), но финалом станет не черная дыра, а пара: нейтронная звезда — белый карлик. Можно еще чуть-чуть изменить параметры и снова получить заметные отличия в эволюции. Таким образом, существует огромное разнообразие тесных двойных систем.

Как «взвесить» сладкую парочку

Наблюдая скорости звезд в двойной системе и зная период обращения, можно определить их массы. Все вроде бы легко и просто. Но не тут-то было! Скорости измеряются по эффекту Доплера: когда звезда движется к нам, линии в ее спектре смещаются в синюю сторону, когда от нас — в красную. Иными словами, измеряется не полная скорость звезды, а только ее проекция на луч зрения. Например, если смотреть на систему перпендикулярно плоскости ее орбиты, скорости звезд вдоль луча зрения будут просто равны нулю. Если же на эту систему посмотреть с ребра, будут регистрироваться полные орбитальные скорости. Выходит, для определения реальных орбитальных скоростей нужно еще знать, под каким углом мы рассматриваем двойную систему. К сожалению, определить угол удается далеко не всегда. В таких случаях обычно указываются условные массы, вычисленные в предположении, что орбита наблюдается с ребра, но при этом астрономы всегда помнят, что с учетом угла наклона орбиты к лучу зрения массы почти наверняка окажутся больше. Например, если окажется, что наклон орбиты составляет 45 градусов, то условные массы надо увеличить в 2,8 раза. Точнее всего массы определяются в системах, где происходят взаимные затмения звезд. Размеры звезд малы по сравнению с орбитой, по которой они движутся, и поэтому затмения возможны только при очень малых углах, когда систему видно почти с ребра. В таких редких случаях, особенно когда определены скорости обеих звезд, можно делать точные оценки масс.

Эффективная аккреция

Из всех проявлений тесных звездных пар наиболее известны, пожалуй, рентгеновские двойные. Эта стадия наступает в жизни многих взаимодействующих двойных, когда одна из компонент системы, став нейтронной звездой или черной дырой, захватывает, или, как говорят астрономы, аккрецирует, вещество соседки. Если звезда-донор заполнила свою полость Роша, превратившись в гиганта, то реализуется режим дисковой аккреции, при этом возникают наиболее мощные источники. Из-за того что компоненты двойной системы обращаются вокруг общего центра масс, вещество не может прямо упасть с одной звезды на другую. Перетекая через внутреннюю точку Лагранжа, оно закручивается вокруг компактного объекта мощным аккреционным диском. Интересно, что если звезда-донор достаточно массивна, диск может образоваться даже и без заполнения ею своей полости Роша: с поверхности таких звезд может истекать довольно сильный звездный ветер, который частично перехватывается компактным объектом и подпитывает рентгеновский источник.

Аккреция — это на удивление эффективный процесс получения энергии. Если взять кирпич и бросить его на нейтронную звезду, то при ударе о поверхность выделится столько же энергии, сколько при взрыве мощной ядерной боеголовки. Однако чаще основное энерговыделение происходит в аккреционном диске. Вещество, вращаясь вокруг нейтронной звезды или черной дыры, за счет вязкости разогревается до миллионов градусов. Такой диск испускает в основном рентгеновские лучи, так как чем выше температура вещества, тем более энергичные кванты уносят энергию.

Мир рентгеновских двойных открылся исследователям в 1960-х годах. Первый большой прорыв в изучении неба в рентгеновских лучах был связан с работой американского спутника «Ухуру» (UHURU), с помощью которого на небе удалось открыть свыше трех сотен рентгеновских источников. Большинство из них оказались аккрецирующими двойными системами с нейтронными звездами или черными дырами.

С 1970-х годов в космосе постоянно работают рентгеновские обсерватории. Сейчас на орбите находится сразу несколько крупных рентгеновских телескопов. Это знаменитый американский спутник Chandra, европейский XMM-Newton и один из последних международных проектов INTEGRAL, запущенный в 2002 году, с материалами с которого работают и российские астрономы.

Гравитационные волны и слияние звезд

Двойная система из массивных звезд может породить пару, состоящую из нейтронных звезд или черных дыр. Если расстояние между двумя компактными объектами невелико, финалом эволюции станет их слияние. Происходит это из-за гравитационных волн, которые излучает двойная система. Эти волны, согласно общей теории относительности, испускаются любой двойной системой, однако эффект тем сильнее, чем массивнее объекты и чем ближе они друг к другу. Унося энергию и угловой момент системы, гравитационные волны заставляют звезды сближаться. Уже открыто несколько двойных систем с нейтронными звездамирадиопульсарами, в которых наблюдается сокращение орбиты за счет излучения гравитационных волн. Если эффект от падения кирпича на нейтронную звезду сравним с ядерным взрывом, что же будет, когда столкнутся две нейтронные звезды, каждая массой больше Солнца?! Энергии при этом выделится больше, чем при взрыве сверхновой. Частично ее уносят электромагнитные гамма-кванты, частично — нейтрино, а остальное приходится на гравитационные волны, мощность которых столь велика, что это, пожалуй, единственный шанс непосредственно их зарегистрировать (кстати, слияние черных дыр вообще можно наблюдать только таким способом). Для этого уже построены гравитационные детекторы LIGO и VIRGO. Пока их чувствительности недостаточно, но астрофизики уверены, что после модернизации данные установки будут наблюдать по нескольку слияний звезд в год. Пока же слияния нейтронных звезд, возможно, наблюдаются как короткие гамма-всплески. Более длинные импульсы гаммаизлучения (свыше нескольких секунд) сейчас связывают с коллапсом быстровращающихся ядер очень массивных звезд. А вот секундные вспышки, скорее всего, возникают на финальной стадии «танца» пары нейтронных звезд, когда после все ускоряющегося кружения они соединяются, частично теряя вещество, которое образует быстро вращающийся диск.

Сверхновые как с конвейера

Обычно сверхновые ассоциируются с финальным аккордом в жизни массивной звезды, когда, исчерпав запасы ядерного топлива, она коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру. Однако сверхновые бывают разных типов. Один из подклассов, получивший обозначение Ia, имеет иную природу. В отличие от других сверхновых все вспышки типа Ia очень похожи друг на друга. Кажется, что взрываются почти «стандартные» объекты. Современная астрофизика говорит, что это взрывы белых карликов в тесных двойных системах. Эти компактные объекты устойчивы, пока их масса мала. Если же она доросла до некоторого критического значения, называемого пределом Чандрасекара, то белый карлик теряет устойчивость. Происходит взрыв. Предел Чандрасекара составляет примерно 1,4 массы Солнца. Универсальность этой критической массы определяет однородность свойств сверхновых типа Ia. Масса звезд может увеличиваться только во взаимодействующих двойных системах. Не было бы таких систем — не было бы и сверхновых типа Ia, а они между тем очень полезны в астрономическом «хозяйстве». Десять лет назад исследования именно этих вспышек дали первые серьезные аргументы в пользу ускоренного расширения Вселенной. Сейчас NASA планирует запуск специального спутника — SNAP (SuperNova Acceleration Probe), который будет искать далекие сверхновые типа Ia, чтобы уточнить данные о космологическом расширении. Теория взрывов сверхновых еще далека от завершения, хотя современные компьютерные модели позволили достичь некоторого прогресса. Тем не менее, до сих пор неизвестно даже, какие звезды поставляют вещество на белые карлики, которые потом взрываются сверхновыми типа Ia. Например, это могут быть обычные маломассивные звезды, но не исключено, что такие сверхновые возникают в системах из двух белых карликов, когда вещество с одного перетекает на другой (это происходит, когда размеры орбиты сократились за счет излучения гравитационных волн). Последнее слово тут, по всей видимости, за наблюдателями, а не за теоретиками.

Звездные пары разрушаются в двух случаях. Во-первых, может вмешаться «звезда-злодейка», близкий пролет которой мимо пары может привести к обмену партнерами. Во-вторых, одна из звезд может взорваться как сверхновая. При этом в окружающее пространство выбрасывается значительная доля ее массы. Пару удерживает взаимная сила гравитации. Если сброшено больше половины суммарной массы, система становится гравитационно не связанной и звезды разлетаются. Кроме того, взрывы сверхновых асимметричны, в результате образующийся компактный объект получает в момент взрыва толчок, дополнительную скорость. Если она велика в сравнении с орбитальной скоростью в двойной, то это также приводит к разрыву звездной пары. Поэтому, несмотря на то, что более половины массивных звезд, порождающих затем нейтронные звезды или черные дыры, входит в двойные системы, доля двойных среди компактных объектов гораздо меньше.

О пользе двойных систем

Астрофизика выделяется среди естественных наук тем, что с объектами, которые она изучает, невозможно экспериментировать. Нельзя даже поднести к ним «поближе» какие-то приборы. Поэтому исследователи рады использовать любые варианты «природных датчиков». Звезды в тесной двойной как раз и служат «датчиками» друг для друга. Например, если в процессе обращения по орбите в системе случаются затмения, когда одна звезда заслоняет другую, то можно получить точную оценку их размеров. Но самое главное, конечно, это возможность измерять массы звезд в двойных системах.

Сейчас специалисты с легкостью говорят: «Чем массивнее звезда, тем...» А когда-то измерение масс звезд казалось фантастикой. В самом деле, как взвесить летящий в пустоте одинокий газовый шар? Иное дело, если вокруг него под действием силы тяжести крутится другой объект. В этом случае, измерив орбитальный период и скорости движения звезд в двойной системе, можно по законам небесной механики оценить их массы.

Самые точные измерения проведены для пульсаров в двойных системах. Пульсары, как известно, это нейтронные звезды, испускающие периодические радиоимпульсы. Строгая периодичность объясняется вращением этих компактных объектов вокруг своей оси. На сегодня известно почти 2 тысячи таких источников, и несколько десятков из них входят в двойные системы. Поскольку пульсары являются очень точными часами, то по ним можно проводить прецизионные измерения.

За открытие и изучение первой системы из двух нейтронных звезд — PSR B1913+16 — Рассел Халс и Джозеф Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике за 1993 год. Столь высокая оценка объяснима. В тесной системе из двух компактных объектов, согласно общей теории относительности (ОТО), должно происходить мощное излучение гравитационных волн. Волны уносят энергию и угловой момент, а значит, компоненты двойной сближаются. Эффект невелик, поэтому орбитальный период и другие параметры нужно измерять с очень высокой точностью. Было показано, что нейтронные звезды в системе PSR B1913+16 сближаются в полном соответствии с теорией. Кроме этого, удалось проверить и некоторые другие эффекты, предсказываемые ОТО. На сегодняшний день известно еще несколько пар нейтронных звезд. Большие надежды возложены на наблюдения очень тесной пары PSR J0737-3039, открытой в 2003 году. В ней обе нейтронные звезды видны как радиопульсары. Это позволяет достаточно быстро (за несколько лет) и точно измерить несколько эффектов ОТО. Нейтронные звезды в этой системе совершают 10 оборотов в сутки по орбите радиусом 400 тысяч километров — примерно как Луна вокруг Земли. Из-за гравитационных волн с каждым оборотом радиус орбиты сокращается на 0,7 миллиметра, и примерно через 85 миллионов лет они столкнутся. Но уже в недалеком будущем эта система может позволить проверить эффекты, которые пока недоступны для исследования с помощью других пульсаров.

Одним из типов тесных двойных систем с нейтронными звездами очень заинтересовались специалисты по ядерной физике. Дело в том, что нейтронные звезды — это единственный вид «лаборатории», где можно изучать поведение вещества при плотностях раз в 10 выше ядерной. Конечно, сверхплотное вещество спрятано в самой глубине нейтронных звезд и непосредственно не наблюдается, но способ узнать о его свойствах существует — это наблюдение за остыванием компактных объектов. В некоторых двойных системах нейтронные звезды какое-то время аккрецируют вещество соседки, а потом этот процесс прекращается, и мы видим остывающий компактный объект, немного подогреваемый ядерными реакциями в его коре. Зная сколько вещества падало на звезду и измеряя ее светимость в отсутствие аккреции, можно проверять теории остывания нейтронных звезд и уточнять свойства вещества в их недрах.

Таким образом, и для астрономов, и для физиков двойные системы представляют огромный интерес. Если бы не парные «танцы» звезд и сложные взаимоотношения между ними, исследователям было бы гораздо труднее продвигаться в изучении законов природы.

2013-2014 учебный год

Время выполнения 3 часа

5 - 6 класс

1. На приведенном рисунке художник изобразил Луну на фоне звездного неба. Что на этом рисунке изображено неправильно и почему? А как надо верно нарисовать?

Школьный этап Всероссийской олимпиады по астрономии

2013-2014 учебный год

Время выполнения 4 часа

Каждое задание оценивается в 8 баллов

Школьная олимпиада по астрономии

7 - 8 класс

1. В настоящее время на небе известно 88 созвездий. Могут ли ученые открыть 89-е созвездие? Ответ подробно объясните.

« Всю ночь за облаками

Светил фонарь с рогами».

1. На Солнце произошла вспышка, в результате которой была выброшена плазма.

Через 3 суток выброс солнечной плазмы достиг Земли и вызвал сильное

Возмущение магнитосферы Земли. С какой скоростью двигалась плазма? (1 а.е. –

150 млн.км). Пренебречь тем, что движение солнечной плазмы происходит по

Спирали, рассматривать прямолинейную траекторию движения.

Школьный этап Всероссийской олимпиады по астрономии

2013-2014 учебный год

Время выполнения 4 часа

Каждое задание оценивается в 8 баллов

Школьная олимпиада по астрономии

9 класс

1. На каких планетах земной группы дневное небо черное, голубое и красноватое?

Меркурий, Земля и Марс.

3. Земля, двигаясь вокруг Солнца по эллиптической орбите, в январе бывает ближе к

Солнцу почти на 5 млн. км, чем в июле. Так почему же в январе у нас холоднее, чем в

Июле?

Нептун, Меркурий, Марс, Юпитер, Уран и карликовые планеты Плутон и Церера.

Как называется такое расположение планет? Какая планета будет видна ночью?

1. Различают четыре основных фазы Луны: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть. В новолуние Ф = 0, в первую четверть Ф Ф Ф = 0,5.

Сделайте поясняющий чертеж.

1. В настоящее время космический аппарат Кассини исследует и фотографирует планету Сатурн и его спутники. Расстояние от Сатурна до Солнца 29,46 астрономические единицы. За какое минимальное время информация, полученная аппаратом, достигает Земли?

Школьный этап Всероссийской олимпиады по астрономии

2013-2014 учебный год

Время выполнения 4 часа

Каждое задание оценивается в 8 баллов

Школьная олимпиада по астрономии

10 класс

1. 29 марта 2006 года наблюдалось полное солнечное затмение, видимое в России. Почему полное лунное затмение можно наблюдать со всей территорий огромной страны одновременно, а солнечное затмение – только из нескольких определенных мест и при этом в разное время? Что означает фаза Ф = 0,65?

1. 2 .

Школьный этап Всероссийской олимпиады по астрономии

2013-2014 учебный год

Время выполнения 4 часа

Каждое задание оценивается 8 баллов

Школьная олимпиада по астрономии

11 класс

◉ = 2·10 30 кг.

Вот перечень четырех пар:

ОТВЕТЫ

Школьный этап Всероссийской олимпиады по астрономии

2013-2014 учебный год

Время выполнения 3 часа

Каждое задание оценивается в 8 баллов

Школьная олимпиада по астрономии

5 - 6 класс

1. На приведенном рисунке художник изобразил Луну на фоне звездного неба. Что на этом рисунке изображено неправильно и почему? А как надо верно нарисовать?

Решение. На рисунке изображен серп Луны на фоне звезд. На ночной стороне Луны изображена звезда. Этого не может быть, т.к. звезды расположены очень далеко (за орбитой Луны), а Луна не прозрачна для света.

1. Какие созвездия северного неба указывают на северный полюс мира? В каком созвездии он расположен? Сделайте чертеж. Какие созвездия южного неба можно использовать как ориентиры для определения местоположения южного полюса мира? В каком созвездии расположен южный полюс мира?

Решение. По астеризму Большой Ковш в созвездии Б.Медведица легко определить направление на северный полюс мира. Если две крайние звезды, те, что дальше от ручки (Дубхе и Мерак), соединить воображаемой линией, и продолжить эту линию примерно на пять таких же расстояний, то легко можно заметить яркую звезду. Это и будет Полярная звезда, (α М. Медведицы), около которой расположен северный полюс мира.

В районе южного полюса мира нет ни одной яркой звезды, которая играет роль ориентира. Самое известное созвездие южного неба – Южный крест. Две крайние звезды Южного креста, образующие большую диагональ ромба, направлены на южный полюс мира. Южный полюс мира окружает созвездие Октант, в котором нет ярких звезд.

1. Назовите самую большую и самую маленькую планету Солнечной системы. Где они расположены по отношению к Солнцу, у какой из этих планет имеются спутники?

Решение. По последним данным самая маленькая планета – Меркурий, а самая большая Юпитер. Меркурий расположен ближе всего к Солнцу, а Юпитер пятая по счету и расположена за Марсом. У Меркурия нет спутников у Юпитера их много.

1. Вы находитесь на южном магнитном полюсе и посмотрели на стрелку компаса. Куда показывают северный и южный конец стрелки компаса? Сделать пояснительный чертеж.

Ответ: на юг. Хорошо, если учащиеся укажут, что южный магнитный полюс расположен в Канаде.

Некоторые учащиеся могут написать, что одна стрелка укажет на зенит, а другая – на надир. И это будет также верный ответ!

Школьный этап Всероссийской олимпиады по астрономии

2013-2014 учебный год

Время выполнения 4 часа

Каждое задание оценивается в 8 баллов

Школьная олимпиада по астрономии

7 - 8 класс

1. В настоящее время на небе известно 88 созвездий. Могут ли ученые открыть 89-е созвездие? Ответ подробно объясните.

Ответ: Нет. По решению МАС на небе именно 88 созвездий и это не имеет никакого отношения к развитию техники астрономических наблюдений.

1. Известна такая загадка о Луне:

« Всю ночь за облаками

Светил фонарь с рогами».

Найдите в загадке астрономическую ошибку.

Решение.

«Рогатой» Луна бывает в начале и в конце лунного месяца. Молодая Луна видна по вечерам и заходит вслед за Солнцем. Старая Луна восходит перед рассветом и видна утром. Чтобы светить всю ночь, Луна должна располагаться на небесной сфере напротив Солнца и быть полной, а не «рогатой».

1. Нарисуйте, как Вы представляете себе Солнечную систему. Из каких объектов она состоит?

Решение. Изображения Солнца, планет, комет, двух поясов астероидов. Около планет могут быть изображены спутники планет.

1. Сколько планет Вы наблюдали невооруженным глазом в этом учебном году? Когда? В какой стороне горизонта? Какая из планет была самой яркой?

Ответ. Учащиеся могут описать, что они видели Венеру, Марс, Юпитер, Сатурн. Вряд ли Меркурий. Тогда они должны описать, как видели Меркурий, где. Учащиеся должны описать, что утром видели Меркурий перед восходом Солнца, на востоке. Или вечером, после захода Солнца, на западе.

1. Что представляют собой две самые яркие, видимые даже невооруженным глазом, туманности земного неба Туманность Андромеды и Туманность Ориона, из чего они состоят, и за счет чего они светят?

Решение. Туманность Андромеда - ближайшая спиральная галактика из крупных галактик в созвездии Андромеды. Расстояние до Туманности Андромеды - около 2 млн св. лет. Галактику можно увидеть невооруженным глазом в созвездии Андромеда. Ее свечение обусловлено совокупным свечением всех звезд.

Галактику Туманность Андромеды также называют Великой спиральной галактикой. Известна под номером М31 (по каталогу Мессье) и под номером NGC224 по Новому общему каталогу. Туманность Андромеды имеет восемь спутников, из которых два самых известных – эллиптическая галактика М 32 (NGC221) рядом с центром М 31 и эллиптическая галактика NGC205. Другие спутники галактики Туманность Андромеды М31 менее яркие, например карликовая галактика, названная Андромеда VIII, расположена на небе вблизи карликовой эллиптической галактики M32.

Угловой диаметр галактики М31 - 100 ′ (16 кпк), расстояние – 670 кпк (около 2 млн св. лет.). Абсолютная звездная величина М= − 21,1 m . Видимая звездная величина m=3,4 m .

Туманность Ориона (или М 42) – это газовая туманность, состоящая в основном из водорода (из газа). Она находится в нашей Галактике на расстоянии около 1000 св. лет, ее диаметр около 16 св. лет. Ее свечение объясняется свечением горячего газа. Туманность Ориона видна невооруженным глазом в созвездии Ориона. Иногда эту туманность, чтобы отличить от других туманностей в созвездии Ориона, называют Большой туманностью Ориона. Большую туманность Ориона можно наблюдать невооруженным глазом в созвездии Ориона, ниже и левее так называемого пояса Ориона, состоящего из трех легко узнаваемых звезд. Газовая туманность Большая туманность Ориона светится за счет молодых горячих звезд спектрального класса О. Эти звезды имеют мощное ультрафиолетовое излучение, которое ионизирует газ туманности Ориона. Большая туманность Ориона представляет собой огромную область звездообразования и является одной из самых известных астрономических туманностей. Она расположена сравнительно недалеко от нас. Расстояние до туманности Ориона 460 пк. Диаметр туманности 35 ′ или 5 пк. Масса 300 М Солнца .

Учащиеся могут ответить лишь частично, но главное, что они обязаны написать в ответе – это принципиальное отличие в этих объектах: галактика, её свечение обусловлено свечением звёзд, и газовая туманность, её свечение объясняется свечением горячего газа.

6. На Солнце произошла вспышка, в результате которой была выброшена плазма. Через 3 суток выброс солнечной плазмы достиг Земли и вызвал сильное возмущение магнитосферы Земли. С какой скоростью двигалась плазма? (1 а.е. – 150 млн.км). Пренебречь тем, что движение солнечной плазмы происходит по спирали, рассматривать прямолинейную траекторию движения.

Ответ:

V = 150 000 000 км ⋅ 1000м / 3 ⋅ 24 часа ⋅ 60мин ⋅ 60 сек = 578703 м/с (или 578 км/с).

Школьный этап Всероссийской олимпиады по астрономии

2013-2014 учебный год

Время выполнения 4 часа

Каждое задание оценивается в 8 баллов

Школьная олимпиада по астрономии

9 класс

1. На каких планетах земной группы дневное небо черное, голубое и красноватое?

Меркурий, Земля и Марс.

Решение. На Меркурии практически нет атмосферы, нет рассеяния света, небо черное. На Земле небо голубое из-за рассеяния солнечного света на молекулах воздуха, при этом голубые лучи рассеиваются сильнее, чем красные. На Марсе из-за сильных пылевых бурь атмосфера насыщена мельчайшими пылевыми частичками, имеющими красный цвет, как и почва.

1. Нарисуйте, как вы представляете себе нашу Галактику. Какие объекты входят в ее состав? Где примерно расположено наше Солнце?

Решение. Рисунок должен отражать, что наша Галактика – спиральная. Примерные размеры Галактики и расстояние Солнца от центра Галактики должны быть выдержаны в соответствующем масштабе. Очень хорошо, если на рисунке будут изображены шаровые скопления. Рассеянные скопления, гигантские молекулярные облака на рисунке не изображаются. в данном масштабе, но могут быть перечислены. Могут быть перечислены различные типы звезд (звезды главной последовательности, гиганты, сверхгиганты, белые карлики, нейтронные звезды), межзвездный газ, межзвездная пыль, но эти объекты на рисунке не отражаются.

3.Земля, двигаясь вокруг Солнца по эллиптической орбите, в январе бывает ближе к Солнцу почти на 5 млн. км, чем в июле. Так почему же в январе у нас холоднее, чем в июле?

Решение. Основная причина сезонных изменений температуры и климата на Земле связана с углом наклоном ее оси вращения к плоскости орбиты вокруг Солнца (эклиптики), который составляет около 66˚. Это определяет высоту Солнца над горизонтом (летом она выше) и продолжительность дня (летом день длиннее). Т.е. летом больше солнечной энергии попадает на Землю в северном полушарии. Зимой наоборот. Для средней полосы это разница достигает несколько раз. А за счет большей близости Земли к Солнцу зимой чем летом, то за счет этого разница в получаемом тепле составляет всего несколько процентов.

4.Сейчас (днем 27 октября 2013 года) над горизонтом могут быть видны Венера, Нептун, Меркурий, Марс, Юпитер, Уран и карликовые планеты Плутон и Церера. Как называется такое расположение планет? Какая планета будет видна ночью?

Решение. Это расположение планет называется парадом планет. К сожалению, сегодня парад планет не виден вечером и ночью, так как планеты находятся над горизонтом днем.Всю ночь будет виден Сатурн.

5.Различают четыре основных фазы Луны: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть. В новолуние Ф = 0, в первую четверть Ф = 0,5, в полнолуние фаза равна Ф = 1,0, а в последнюю четверть снова Ф = 0,5. 29 января 2006 года было новолуние. Какая фаза была у Луны 29 марта? В какой стороне неба была видна Луна в эту дату? В эту же дату наблюдалось полное солнечное затмение. Является ли это простым совпадением двух астрономических явлений?

Сделайте поясняющий чертеж.

Ответ: 29 марта будет новолуние, следовательно Ф = 0. Луна не будет видна ни в какой стороне неба, так как будет новолуние.

Именно в эту дату будет полное солнечное затмение, которое в Москве будет наблюдаться, как частное.

Это не простое совпадение, так как солнечные затмения происходят только во время новолуний.

6.В настоящее время космический аппарат Кассини исследует и фотографирует планету Сатурн и его спутники. Расстояние от Сатурна до Солнца 29,46 астрономические единицы. За какое минимальное время информация, полученная аппаратом, достигает Земли?

Решение.

Минимальное расстояние от Земли до Сатурна 29,46 – 1 = 28,46 а.е. = 28,46·150000000 = 4,27·10 9 км. Свет имеет скорость с = 300000 км/с, поэтому информация достигнет Земли за время 4,27·10 9 км/300000 км/с =1,42·10 4 с = 3ч 57м.

Школьный этап Всероссийской олимпиады по астрономии

2013-2014 учебный год

Время выполнения 4 часа

Каждое задание оценивается в 8 баллов

Школьная олимпиада по астрономии

10 класс

1. 29 марта 2006 года наблюдалось полное солнечное затмение, видимое в России. Почему полное лунное затмение можно наблюдать со всей территорий огромной страны одновременно, а солнечное затмение – только из нескольких определенных мест и при этом в разное время? Что означает фаза Ф = 0,65?

Решение. Солнечные затмения можно видеть только в тех областях Земли, по которым проходит полоса тени Луны. Диаметр тени не превышает 270 км, поэтому полное солнечное затмение одновременно видно лишь на малом участке земной поверхности, и область тени перемещается, поэтому в разных точках полосы затмения оно наступает в разное время. Хотя солнечные затмения случаются чаще лунных затмений, в каждой местности Земли солнечные затмения наблюдаются редко. В Москве будет наблюдаться частное солнечное затмение с фазой Ф = 0,65.

Луна в момент полного лунного затмения в действительности лишается солнечного света, поэтому полное лунное затмение видно из любой точки полушария Земли. Лунное затмение начинается и заканчивается одновременно для всех географических точек, для всех стран. Однако местное время этого явления будет разное.

1. На рисунке изображены восходы и заходы Солнца в северном полушарии. Укажите, в чем ошибка художника и нарисуйте верный рисунок.

Решение. Только в дни равноденствий 21 марта и 23 сентября Солнце восходит в точке востока и заходит в точке запада (везде).

Например, для Москвы, ϕ =56 ° , в день летнего солнцестояния Солнце восходит на северо-востоке, а в день зимнего солнцестояния – на юго-востоке.

Поэтому надо по-другому нарисовать направления сторон горизонта: стрелку востока направить на точку восхода Солнца 21 марта, а стрелку запада – на точку захода 21 марта.

1. В каком направлении происходит видимое движение Солнца и Луны относительно звезд?

По каким созвездиям проходит в течение года Солнце, сколько таких созвездий?

Решение.

Относительно звезд Луна движется с запада на восток с угловой скоростью примерно 13 ° в сутки.

Относительно звезд Солнце движется с запада на восток со скоростью примерно 1 ° в сутки.

Видимый годовой путь Солнца проходит через тринадцать созвездий, начиная от точки весеннего равноденствия: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Змееносец, Стрелец, Козерог, Водолей, Рыбы. Двенадцать из них называются зодиакальными .

1. В индейской сказке «О белой кувшинке» говорится: «Ваби приподнял кожаный полог, и глаза его от удивления стали круглыми, как у совы. Звезды – голубоватые, зеленые, крохотные и чуть крупнее – весело шевелили лучами почти у самого его носа!».

Что неверно данном описании?

Решение.

Цвет звезды зависит от температуры звезды. Голубоватые звезды имеют высокую температуру, большую 12000К. Зеленых звезд не бывает. Видимые размеры звезд соответствуют разным видимым звездным величинам.

«Шевеление лучей» - дрожание атмосферы.

Таким образом, неверно – зеленый цвет звезд.

1. Солнце находится на расстоянии 7,5 кпк от центра Галактики и движется со скоростью 220 км/с. За какой период времени Солнце совершает полный оборот вокруг центра Галактики?

Ответ.

Т= = лет

1. Две одинаковые по массе автоматические межпланетные станции (АМС) совершают мягкие посадки: первая – на Венеру, вторая – на Марс. На какой из планет – Земле, Венере или Марсе – эти АМС имеют наибольший вес? Ускорение свободного падения на Земле и Венере считать одинаковыми, а на Марсе g = 3,7 м/с 2 .

Ответ. Наибольший вес будет на Земле. Вес АМС на Венере будет меньше, чем на Земле, из-за плотной атмосферы (закон Архимеда). На Марсе АМС будет иметь наименьший вес.

Школьный этап Всероссийской олимпиады по астрономии

2013-2014 учебный год

Время выполнения 4 часа

Каждое задание оценивается в 8 баллов

Школьная олимпиада по астрономии

11 класс

1. Какая из перечисленных звезд - Арктур, Вега, Капелла, Полярная, Сириус - является самой яркой звездой северного полушария неба? В каком созвездии она расположена и какую примерно имеет видимую звездную величину?

Решение. Самая яркая звезда на небе – Сириус. Но эта звезда не северного небесного полушария, а южного. Поэтому самая яркая звезда – Вега (α Лиры). У нее примерно нулевая видимая звездная величина.

2. Чему равны сутки на Луне, как видна Земля для космонавта на Луне и существуют ли области на Луне, где Земля восходит и заходит?

Решение. Солнечные сутки на Луне равны 29,5 земных суток. Земля на Луне практически неподвижно висит на небе и не совершает таких движений, как Луна на небе Земли. Это следствие того, что Луна всегда обращена к Земле одной своей стороной. Но благодаря физическим либрациям (покачиваниям) Луны, из областей около края лунного диска можно наблюдать регулярные восходы и заходы Земли. Земля восходит и заходит (приподнимается над горизонтом и опускается за горизонт) с периодом около 27,3 земных суток.

3. Сезоны года на Земле сменяются «в противофазе» (когда в северном полушарии лето, то в южном - зима). Допустим, что гипотетическая планета вращается вокруг Солнца по сильно вытянутой эллиптической орбите, большая полуось которой также равна 1 а.е., и ось вращения перпендикулярна плоскости ее орбиты. Как происходит смена времен года? Как изменится климат по сравнению с климатом Земли?

Решение. На такой планете смена времен года будет проходить синхронно, а не в противофазе, как на Земле или Марсе. Вблизи апогелия на всей планете, в обоих полушариях, синхронно, будет условная зима, а вблизи перигелия - условное лето. «Условные», потому что в общепринятых понятиях на полюсах такой планеты будет вечная зима... Тогда сезоны, зависящие только от потока тепла, будут по всей планете определяться только ее положением на орбите, а значит, будут везде меняться синхронно. Климат на такой планете, несмотря на одинаковую большую полуось а=1 а.е., будет более резким, зимы будут более холодными и долгими по второму закону Кеплера (и путь длиннее, и скорость меньше).

4. Объясните, почему Титан - спутник Сатурна, смог сохранить свою атмосферу, а Меркурий - нет?

Ответ. Титан и Меркурий имеют сходную массу и размеры, но Меркурий находится значительно ближе к Солнцу и получает от него намного больше тепла. В разогретой атмосфере частицы имеют большие скорости и легче уходят от планеты. Поэтому Меркурий не удержал атмосферу. Холодная атмосфера Титана значительно более устойчива.

5. Две нейтронные звезды обращаются вокруг общего центра масс по круговой орбите с периодом 7 часов. На каком расстоянии они находятся, если их массы больше массы Солнца в 1,4 раз? Масса Солнца М ◉ = 2·10 30 кг.

Решение. Звезды находятся на расстоянии 2R друг от друга. F грав. = G ⋅

С другой стороны, F =

3 ⋅ 10 6 м, меньше, чем размеры Земли.

6. Очень редкое и чрезвычайно интересное астрономическое явление - прохождение планеты Венера по диску Солнца. 6 мая 1761 во время прохождения планеты Венеры по диску Солнца М.В. Ломоносов открыл существование атмосферы у Венеры, впервые правильно истолковав «выпячивание» солнечного края при двукратном прохождении Венеры через край диска Солнца.

Прохождения Венеры по диску Солнца группируются парами с интервалом в 8 лет одно от другого. А между парами проходит либо 121,5 лет либо 105,5 лет.

Вот перечень четырех пар:

1. Какие планеты могут проходить по диску Солнца? Какая из них проходит по диску Солнца чаще и почему?
2. Как пересекает диск Солнца Венера, справа-налево или слева-направо?
3. Почему прохождения наблюдаются только в начале июня и декабря?
4. Почему между двумя последовательными прохождениями должно пройти не менее 8 лет?

Решение. Какие планеты могут проходить по диску Солнца? Какая из них проходит по диску Солнца чаще и почему?

Меркурий и Венера могут проходить по диску Солнца.

Если бы все орбиты лежали точно в одной плоскости, то в каждое из нижних соединений мы могли бы наблюдать, как планета на некоторое время проецируется на солнечный диск, медленно пересекая его слева-направо . Однако, из-за того, что действительные орбиты Меркурия и Венеры наклонены к плоскости орбиты Земли (на 7.0 и 3.4 градуса соответственно), то гораздо чаще в моменты соединений обе эти планеты проходят чуть выше или ниже диска Солнца, надежно прячась в его лучах и оставаясь недоступными для наблюдений.

Орбита Венеры наклонена к эклиптике на 3,4 градуса, поэтому мы можем наблюдать Венеру на фоне Солнца только в те моменты, когда и она и Земля находятся вблизи одного из узлов орбиты Венеры. В июне и декабре Венера находится вблизи линии узлов своей орбиты - в плоскости эклиптики. В другие месяцы прохождения просто невозможны из-за наклона орбиты Венеры к плоскости эклиптики.

Долгота ее восходящего узла 76,7 градуса. Чтобы Земле от точки весеннего равноденствия (21 марта) пройти такой путь по своей орбите (считаем ее круговой), требуется

(76,7 °⋅ 365 сут)/360 ° = 78 сут.

Получаем дату возможного прохождения Венеры по Солнцу:

Дата, конечно, приблизительная, поскольку календарь (простой или високосный год) может менять ее на 1-2 дня, и конечный угловой размер Солнца делает возможным прохождение по его диску в пределах 2-3 дней до или после пересечения Венерой эклиптики (0,5 ° / sin 3,4 ° = 8,4 ° ; их Венера проходит за 5 сут).

Ну а вторая возможная дата наступает, когда Земля проходит у нисходящего узла Венериной орбиты - полгода спустя.

Последний вопрос очень сложный.

Почему между двумя последовательными прохождениями должно пройти не менее 8 лет?

Через окрестности узла орбиты Венеры должны одновременно пройти Земля и Венера с точностью до 2-3 сут, т.е. до 1/100 года. Орбитальный Венеры - 0,61521 года. Умножая его последовательно на целые числа (1, 2, 3, ...), впервые получим целое число с точностью выше 1/100 при умножении на 13:

0,61521 года ⋅ 13 = 7,998 года

Т.е. через 13 оборотов Венеры и 8 оборотов Земли они снова сходятся у избранной точки орбиты Венеры. Если это была точка узла венерианской орбиты, то и через 8 лет будет она же.

Предупреждения начали приходить рано утром 17 августа. Гравитационные волны, порождённые столкновением двух нейтронных звёзд - плотных ядер умерших звёзд - омывали Землю. Более 1000 физиков обсерватории aLIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) поспешили расшифровать вибрации пространства-времени, прокатившиеся по детекторам подобно долгому раскату грома. Тысячи астрономов боролись за право стать свидетелями послесвечения. Однако официально весь этот переполох держался в секрете. Нужно было собирать данные и писать научные работы. Внешний мир не должен был узнать об этом ещё два месяца.

Этот строгий запрет поставил Джоселин Рид и Катерино Чатциоаноу , двух членов коллаборации LIGO, в неловкое положение. Днём 17 числа они должны были вести конференцию , посвящённую вопросу о том, что происходит в невообразимых условиях внутренностей нейтронной звезды. А их темой как раз было то, как должно происходить слияние двух нейтронных звёзд. «Мы вышли на перерыв, сели и уставились друг на друга, - говорит Рид, профессор Калифорнийского университета в Фуллертоне. - Так как же мы это сделаем?»

Десятилетиями физики спорили о том, содержат или нет нейтронные звёзды в себе новые виды материи, появляющиеся, когда звезда ломает привычный мир протонов и нейтронов и создаёт новые взаимодействия между кварками или другими экзотическими частицами. Ответ на этот вопрос также пролил бы свет на астрономические загадки, окружающие сверхновые и появление тяжёлых элементов, вроде золота.

Кроме наблюдения за столкновениями при помощи LIGO, астрофизики разрабатывали творческие методы зондирования нейтронной звезды. Задача состоит в том, чтобы узнать какие-либо свойства её внутренних слоёв. Но сигнал, пришедший на LIGO, и подобные ему - испускаемые двумя нейтронными звёздами, обращающимися вокруг общего центра масс, притягивающимися друг к другу, и, наконец, врезающимися - предлагает совершенно новый подход к проблеме.

Странная материя

Пробурив такую звезду, мы бы приблизились к переднему краю науки. Пара сантиметров нормальных атомов - в основном, железо и кремний - лежат на поверхности, будто ярко-красное покрытие самых плотных сосательных конфет Вселенной. Затем атомы так сильно сжимаются, что теряют электроны, попадающие в общее море. Ещё глубже протоны начинают превращаться в нейтроны, находящиеся так близко, что они начинают перекрывать друг на друга.

Необыкновенное ядро нейтронной звезды. Физики пока ещё обсуждают, что именно находится внутри неё. Вот несколько основных идей.

Традиционная теория

А что внутри?

• В кварковом ядре нейтроны разваливаются на верхние и нижние кварки.
• В гиперонном существуют нейтроны, состоящие из странных кварков.
• В каонном - двухкварковые частицы с одним странным кварком.

Другие астрофизики считают иначе. Нуклоны - не элементарные частицы. Они состоят из трёх кварков [на самом деле, нет - прим. перев. ]. Под невероятно сильным давлением кварки могут сформировать новое состояние - кварковую материю. «Нуклоны - это не бильярдные шары», - говорит Дэвид Блашке , физик из Вроцлавского университета в Польше. «Они больше похожи на вишенки. Их можно немного сжимать, но в какой-то момент вы их раздавите».

Но некоторые считают джем из кварков слишком простым вариантом. Теоретики давно думают о том, что внутри нейтронной звезды могут появляться слои из более странных частиц. Энергия сжимаемых вместе нейтронов может перейти в создание более тяжёлых частиц, содержащих не только верхние и нижние кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, но и более тяжёлые и экзотические странные кварки.

К примеру, нейтроны могут уступать место гиперонам , трёхкварковым частицам, в которые входит по меньшей мере один странный кварк. В лабораторных экспериментах гипероны получались, но они практически сразу исчезали. Внутри нейтронных звёзд они могут стабильно существовать миллионы лет.

Как вариант, скрытые глубины нейтронных звёзд могут быть заполнены каонами - также состоящими из странных кварков - собирающимися в один кусок материи, находящийся в едином квантовом состоянии.

Но несколько десятилетий поле этих исследований было в тупике. Теоретики изобретали идеи по поводу того, что может происходить внутри нейтронных звёзд, но это окружение настолько экстремальное и малознакомое, что эксперименты на Земле не могут воссоздать нужных условий. В Брукхейвенской национальной лаборатории и в ЦЕРН физики сталкивают друг с другом тяжёлые ядра, например, золота и свинца. Это создаёт состояние материи, напоминающее суп частиц, в котором присутствуют свободные кварки, известное, как кварк-глюонная плазма . Но это вещество получается разреженным, не плотным, а его температура в миллиарды или триллионы градусов оказывается гораздо выше, чем у внутренностей нейтронной звезды, внутри которой царят относительно прохладные температуры в миллионы градусов.

Даже теория возрастом в несколько десятилетий, описывающая кварки и ядра, "квантовая хромодинамика " или КХД, не может дать ответов на эти вопросы. Вычисления, требующиеся для изучения КХД в относительно холодных и плотных средах до такой степени ужасно сложные, что их нельзя провести даже на компьютере. Исследователям остаётся довольствоваться чрезмерными упрощениями и разными трюками.

Единственный вариант - изучать сами нейтронные звёзды. К несчастью, они очень далеки, тусклы, и очень сложно измерить у них что-либо кроме самых основных свойств. Что ещё хуже, самая интересная физика происходит под их поверхностью. «Ситуация напоминает лабораторию, в которой происходит что-то удивительное, - говорит Алфорд, - в то время, как вы можете видеть только свет из её окон».

Но с новым поколением экспериментов теоретики могут, наконец, вскоре взглянуть на это как следует.

Инструмент NICER прямо перед запуском на МКС. Он отслеживает рентгеновское излучение нейтронных звёзд

Мягкое или твёрдое?

Астрономы, вынужденные оставаться снаружи, распутывают эту цепочку, пытаясь понять, из чего состоят нейтронные звёзды. А для этого очень хорошо было бы знать, насколько они мягкие или жёсткие на сжатие. Чтобы узнать это, астрономам необходимо измерить массы и радиусы различных нейтронных звёзд.

Среди нейтронных звёзд легче всего взвешивать пульсары: быстро вращающиеся нейтронные звёзды, радиолуч которых проходит сквозь Землю с каждым их поворотом. Порядка 10% из 2500 известных пульсаров относятся к двойным системам. В процессе движения этих пульсаров те их импульсы, что должны с равными промежутками достигать Земли, варьируются, выдавая движение пульсаров и их положение на орбитах. А зная орбиты, астрономы могут, воспользовавшись законами Кеплера и дополнительными поправками Эйнштейна и ОТО, находить массы этих парочек.

Пока что крупнейшим прорывом стало открытие неожиданно здоровых нейтронных звёзд. В 2010 году команда под руководством Скотта Рэнсома в Национальной радиоастрономической обсерватории Виргинии объявила, что измерила массу пульсара и нашла её равной двум солнечным - что гораздо больше ранее виденного. Некоторые даже сомневались в возможности существования таких нейтронных звёзд; это приводит к серьёзным последствиям для нашего представления о поведении ядер атомов. «Сейчас это одна из самых часто цитируемых работ по наблюдению за пульсарами, и всё благодаря физикам-ядерщикам», - говорит Рэнсом.

В соответствии с некоторыми моделями нейтронных звёзд, утверждающих, что гравитация должна их сильно сжимать, объект такой массы должен схлопнуться в чёрную дыру. Каонные конденсаты в таком случае пострадают, поскольку они достаточно мягкие, а также это не очень хорошо для некоторых вариантов квантовой материи и гиперонов, которые тоже сжались бы слишком сильно. Измерение было подтверждено открытием ещё одной нейтронной звезды, имеющей массу в две солнечных, в 2013 году.

Ферьял Озель, астрофизик из Аризонского университета, провела измерения, из которых следует, что в ядрах нейтронных звёзд содержится экзотическая материя

С радиусами всё немного сложнее. Астрофизики, например, Ферьял Озель из Аризонского университета, разработала различные приёмы для подсчёта физического размера нейтронных звёзд при помощи наблюдения за рентгеновскими лучами, исходящими с их поверхности. Вот один способ: можно измерить общее рентгеновское излучение, использовать его для оценки температуры поверхности, и затем рассчитать размер нейтронной звезды, способной излучать такие волны (внося поправки на то, как они изгибаются из-за гравитации). Также можно искать горячие точки на поверхности нейтронной звезды, постоянно появляющиеся и исчезающие из поля зрения. Сильное гравитационное поле звезды будет изменять световые импульсы в зависимости от этих горячих точек. Разобравшись в гравитационном поле звезды, можно воссоздать её массу и радиус.

Если верить этим расчётам Озел, получается, что хотя нейтронные звёзды и бывают довольно тяжёлыми, их размер находится в пределах 20-22 км в диаметре.

Принятие того факта, что нейтронные звёзды маленькие и массивные «загоняет вас в рамки, в хорошем смысле», - говорит Озел. Она говорит, что так должны выглядеть нейтронные звёзды, набитые взаимодействующими кварками, а у нейтронных звёзд, состоящих только из нуклонов, радиус должен был быть большим.

Джеймс Латтимер, астрофизик из Университета в Стони-Брук, утверждает, что в ядрах нейтронных звёзд нейтроны остаются нетронутыми

Но у Латтимера, среди прочих критиков, есть сомнения по поводу предположений, используемых при рентгеновских измерениях - он считает, что они ошибочные. Он думает, что они могут неоправданно уменьшить радиус звёзд.

Обе соперничающие стороны считают, что их спор вскоре разрешится. В прошлом июне 11-я миссия SpaceX доставила на МКС ящик весом 372 кг, содержащий рентгеновский телескоп Найсер (англ. Neutron star Interior Composition Explorer, NICER). Найсер, в данное время собирающий данные, создан для определения размеров нейтронных звёзд через изучение горячих точек на их поверхности. Эксперимент должен выдать лучшие измерения радиусов нейтронных звёзд, считая пульсары, массы которых измерены.

«Мы все очень ждём результатов», - говорит Блашке. Точно измеренные масса и радиус даже одной нейтронной звезды сразу отметут множество вероятных теорий, описывающих их внутреннюю структуру, и оставит только те, что выдают определённое соотношение размера и веса.

А теперь к экспериментам подключился ещё и LIGO.

Сначала сигнал, который Рид обсуждала за кофе 17 августа, обрабатывали как результат столкновения чёрных дыр, а не нейтронных звёзд. И это имело смысл. Все предыдущие сигналы с LIGO были получены от чёрных дыр, более сговорчивых объектов с вычислительной точки зрения. Но в порождении этого сигнала участвовали более лёгкие объекты, а продолжался он гораздо дольше, чем происходит объединение чёрных дыр. «Совершенно очевидно, что это оказалась не такая система, на которых мы тренировались», - сказала Рид.

Когда две ЧД сближаются по спирали, они излучают орбитальную энергию в пространство время в виде гравитационных волны. Но в последнюю секунду нового 90-секундного сигнала, полученного LIGO, каждый объект испытал то, чего не испытывают ЧД: он деформировался. Пара объектов стала растягивать и сжимать материю друг друга, создавая волны, изымающие энергию их орбит. Это заставило их столкнуться быстрее, чем было бы в ином случае.

После нескольких месяцев неистовой работы с компьютерными симуляциями, группа Рид в LIGO выпустила своё первое измерение эффектов, оказываемых этими волнами на сигнал. Пока у команды есть только верхний предел - что означает, что эффект, оказываемый волнами, слаб или даже просто незаметен. А это значит, что нейтронные звёзды физически малы, и их материя удерживается вокруг центра в очень плотном состоянии, что препятствует её приливному растяжению. «Думаю, что первое измерение через гравитационные волны вроде бы подтверждает то, о чём говорили рентгеновские наблюдения», - говорит Рид. Но это ещё не конец. Она ожидает, что более сложное моделирование того же сигнала выдаст более точную оценку.

Найсер и LIGO предоставляют новые способы изучения нейтронных звёзд, и многие эксперты с оптимизмом ждут, что в следующие несколько лет появятся недвусмысленные ответы на вопрос сопротивления материала гравитации. Но теоретики, например, Альфорд, предупреждают, что простое измерение мягкости материи нейтронной звезды не даст полной информации о ней.

Возможно, другие признаки скажут больше. К примеру, идущие наблюдения за скоростью охлаждения нейтронных звёзд должны позволить астрофизикам рассуждать о присутствующих внутри них частицах и их способности излучать энергию. Или же изучение замедления их вращения может помочь определить вязкость их внутренностей.

Но, в любом случае, просто знать, в какой момент происходит фазовый переход материи и во что она превращается - это достойная задача, считает Альфорд. «Изучение свойств материи, существующей в разных условиях - это, в общем, и есть физика», - говорит он.

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта