Муниципальный этап X VIII

2010/2011 учебный год

7-9 класс.

Задача 1. Представители каких классов астрономических объектов входят в состав Солнечной системы?

Решение. В состав Солнечной системы входят представители: звезд, планет, спутников планет, астероидов, комет, метеороидов. Также в нашей системе присутствуют пыль и газ.

За каждый названный элемент по 1 баллу.

Задача 2. Куда прибудет земной путешественник, если он будет двигаться на северо-восток, ориентируясь по магнитной стрелке компаса?

Решение. Двигаясь по спирали, этот путешественник прибудет в южный магнитный полюс Земли, находящийся, как известно, в северных полярных широтах нашей планеты. Именно на южный магнитный полюс указывает северная стрелка компаса.

Примечание. Основным выводом должно являться движение по спирали и конечный ответ - район Северного полюса (4+4 балла).

Задача 3. Почему на небе вблизи Млечного Пути наблюдается больше слабых звезд, а количество слабых галактик, наоборот, меньше, чем вдали от него?

Решение. Наблюдая области неба, близкие к Млечному Пути, мы видим звезды нашей Галактики, сконцентрированные в ее диске. Именно их излучение сливается в светлую полосу Млечного Пути. Вдоль Млечного Пути наблюдается много молодых горячих звезд, которые рождаются из уплотненного в галактической плоскости межзвездного вещества. Однако все это вещество, точнее, его пылевая составляющая, поглощает свет более далеких объектов. Поэтому галактики практически не видны вблизи полосы Млечного Пути. И наоборот, вдали от Млечного Пути звезд нашей галактики наблюдается меньше, поглощение газо-пылевой составляющей практически отсутствует - мы видим много галактик.

Зада ча 4. В опере итальянского композитора Джакомо Пуччини «Мадам Батерфляй» (Чио-Чио-сан) один из героев (Пинкертон) в первом действии спектакля поет следующее: «И тысяча звезд на нас смотрит своими глазами». Подтвердите или опровергните слова Пинкертона с астрономической точки зрения.

Решение. Пинкертон, в принципе, прав. На всем звездном небе около 6 тысяч звезд, видимых невооруженным глазом. Из них половина в каждый момент времени находится над горизонтом. Однако слабые звезды не будут видны низко над горизонтом, особенно если прозрачность атмосферы не очень хорошая. В итоге, на звездном небе можно увидеть 1-2 тысячи звезд.

Полное и правильное объяснение – 8 баллов

Задача 5. В один и тот же день были зарегистрированы следующие события (время – всемирное):

событие А - землетрясение в Японии в 12 час 02 мин;

событие В - образование пятна на Солнце в 12 час 10 мин;

событие С - вспышка на Солнце в 12 час 12 мин.

Что можно сказать о последовательности этих событий во времени?

Решение. Расстояние от Солнца до Земли составляет около 149.6 млн км, а свет распространяется со скоростью 300000 км/с, проходя данное расстояние за 8 минут 19 секунд. Поэтому все события на Солнце происходят на 8 с лишним минут раньше, чем мы их регистрируем. Поэтому из трех событий первым произошло событие B (чуть ранее 12ч02м), затем событие A (12ч02м) и, наконец, событие C (незадолго до 12ч04м).

Полное и правильное объяснение – 8 баллов

Задача 6. Какое утверждение ошибочно? Ответ обосновать

1) Кометы светятся, так как ядро кометы раскаляется и горит.

2) На Венере часто бывают кислотные дожди.

3) Сатурн излучает в пространство больше тепла, чем получает от Солнца.

4) Обратная сторона Луны, невидимая с Земли, погружена в вечный мрак.

5) Фраза из фантастического фильма: "радиосигнал получен от звезды альфа Центавра из созвездия Девы"

6) В 2006 году на северном полюсе Земли наблюдалось солнечное затмение.

7) На Марсе есть высохшие русла рек.

8) Смена лунных фаз происходит потому, что Луна периодически попадает в тень Земли.

Решение

Задача №6
не верно; причины свечения комет: отражение солнечного света пылинками и свечение ионизированного газа


не верно; в новолуние, например, обратная сторона Луны полностью освещена
не верно; альфа Центавра – ярчайшая звезда в созвездии Центавра, а не Девы


не верно; когда Луна попадает в тень Земли, то происходит лунное затмение.

Муниципальный этап X VIII Всероссийской олимпиады школьников по астрономии

2010/2011 учебный год

Возможные решения задач. Краткие указания.

10 класс

Зада ча 1. Известно, что время наступления океанских приливов каждый день смещается примерно на 50 минут. Почему?

Решение. Время океанских приливов определяется положением Луны на небе. Двигаясь по орбите в сторону, противоположную видимому вращению звездного неба, Луна каждый день кульминирует примерно на 50 минут позже, чем в предыдущий день, завершая полный цикл за 29.5 дней – за синодический период Луны. На 50 минут смещается и время приливов.

Полное и правильное объяснение – 8 баллов

Задача 2. Созвездия и звезды

1) Чем отличается Полярная от других звезд? В каком созвездии находится?

2) Назовите имя ярчайшей звезды небосвода. В каком созвездии она находится? В какое время года она лучше всего видна на широте Ульяновска?

3) Назовите имена ярких звезд, составляющих вершины летне-осеннего треугольника. В каком созвездии они находятся?

Задача №2
Полярная находится ближе всего к Северному полюсу мира; Поэтому она выглядит неподвижной (почти) Поэтому же определяет направление на Север Созвездие Малой медведицы
Созвездие Большого Пса Конец августа, начало сентября
Летне-осенний треугольник: Вега (созв. Лиры), Денеб (созв. Лебедя), Альтаир (созв Орла)
Андромеда, галактика Туманность Андромеды
Кассиопея

4) Назовите созвездие северного полушария, в котором невооруженным глазом можно наблюдать галактику.

5) название близполюсного созвездия, своими очертаниями напоминающего букву W.

Решение.

Задача 3. С какой скоростью и в каком направлении должен лететь самолет вдоль параллели Ульяновска (широта 54 градуса), чтобы местное солнечное время для пассажиров самолета остановилось?

Решение.

Задача 4. Сколько времени надо затратить космическому кораблю, летящему со скоростью 30 км/с, чтобы достичь ближайшей к Солнцу звезды Проксима Центавра, параллакс которой 0,76"?

Решение.

Задача 5. В пункте A в зените наблюдается метеор, имеющий блеск 0 m . В пункте B этот же метеор был виден на высоте 30 над горизонтом. Какой блеск был у него в этом пункте? Поглощением света в атмосфере пренебречь.

Решение. Явления метеоров происходят на высотах порядка 100 км. Это значительно меньше радиуса Земли, и для решения задачи мы можем забыть о сферичности нашей планеты и считать ее плоской. Из рисунка видно, что расстояние от метеора до точки B , где он был виден на высоте 30, в (1/sin30)=2 раза больше, чем из точки A , находящейся прямо под метеором. Следовательно, его блеск в точке B без учета атмосферного поглощения составил

Выполнение рисунка – 2 балла

Определение расстояния из чертежа – 2 балла

Запись формулы для определения блеска – 2 балла

Расчет – 2 балла

Задача 6. 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.

Звезды находятся на расстоянии 2R друг от друга. F грав. = G
-3балла

С другой стороны, F=
- 3 балла

=310 6 м, меньше, чем размеры Земли. – 2 балла

Муниципальный этап X VIII Всероссийской олимпиады школьников по астрономии

2010/2011 учебный год

Возможные решения задач. Краткие указания.

11 класс

Зада ча 1. Венера вступила в тесное соединение с Марсом. У какой из двух планет видимый диаметр в это время больше?

Решение. Во время соединения Венера находится к нам ближе, чем Марс, вне зависимости от своей конфигурации. Диаметр Венеры больше диаметра Марса, следовательно, ее угловые размеры были также больше.

Полное и правильное объяснение – 8 баллов

Задача 2. На какую максимальную высоту над горизонтом поднимается Солнце в течение года на широте Ульяновска (широта 54 градуса)? Ответ обоснуйте.

Решение. В Северном полушарии Земли Солнце максимально высоко поднимается во время летнего солнцестояния. – 3 балла

В это время его склонение равно углу наклона эклиптики к экватору (23.5 градуса) – 2 балла

Поэтому максимальная высота будет равна h=90-54+23,5=59,5 градуса. - 3 балла.

Задача 3. 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 км = 4,27·10 9 км. – 4 балла

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. – 4 балла

Задача 4. 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 - 2 балла

С другой стороны, F = - 2 балла

Решение системы уравнений и получение окончательного ответа:= 310 6 м, меньше, чем размеры Земли. – 2 балла

Зада ча 5. В желтых лучах звезды A и B светят одинаково, а в красных лучах звезда B на 0.1 m ярче, чем звезда A . Какая из звезд горячее?

Решение. Как известно, чем горячее звезда, тем в более коротковолновую область спектра попадает максимум ее излучения. – 4 балла

В нашем случае в спектре звезды B преобладает длинноволновое (красное) излучение, и если на пути от Земли к этим звездам нет большого количества межзвездной пыли, поглощающей свет звезд и меняющей его цвет, то звезда A горячее звезды B . – 4 балла.

Задача 6. Во сколько раз звезда сверхгигант со светимостью 10000 L  больше, чем звезда главной последовательности, если их температуры одинаковы и равны 5800?

Решение.

Звезда главной последовательности с температурой 5800 - это Солнце. – 2 балла

Светимость Солнца L  =1. – 2 балла

Применение закона Стефана-Больцмана: L= Т 4 4R 2 . – 2 балла

Их температуры равны.

Откуда радиус сверхгиганта в 100 раз больше радиуса звезды главной последовательности (Солнца).- 2 балла

Документ

II муниципального этапа всероссийской олимпиады школьников по предмету. 5. Руководителям общеобразовательных учреждений: 5.1. обеспечить присутствие школьников на II муниципальном этапе всероссийской олимпиады школьников согласно...

Приказ 23 сентября 2013 г с. Тугулук №258 Опорядке проведения школьного этапа и участии в муниципальном этапе всероссийской олимпиады

Документ

Экологии, географии, астрономии , экономике, технологии, ... Муниципальный этап всероссийской олимпиады школьников 2013-2014 учебного года 17. Участие в муниципальном этапе всероссийской олимпиады школьников с 14.11.2013 по ... и информатики VIII . Физика...

Положение о Всероссийской Олимпиаде, порядок и пункты проведения муниципального этапа, задания для школьного этапа

Документ

...) Положение о Всероссийской Олимпиаде , порядок и пункты проведения муниципального этапа , задания для школьного этапа География Сайт олимпиады школьников Московской...

Звезды любого размера — от красных карликов до голубых сверхгигантов — имеют примерно сферическую форму.

Аккреционный диск Аккреционный диск – это структура, которая образуется из вещества, вращающегося вокруг центрального тела – молодой звезды или протозвезды, белого карлика, нейтронной звезды или черной дыры. Вещество диска под действием гравитации по спирали падает на центральную звезду, при этом происходит разогрев вещества, что порождает электромагнитное излучение, длина волны которого зависит от типа звезды. Диски вокруг молодых звезд и протозвезд излучают в длинноволновом (инфракрасном) диапазоне, а вокруг компактных массивных объектов типа нейтронных звезд и черных дыр – в коротковолновом (рентгеновском).

И все же в космосе есть великое множество объектов, которые вполне соответствуют столь экстравагантному титулу. Их научное название — аккреционные диски. Звезды, подобно людям, предпочитают объединяться в пары — так называемые бинарные системы. Это столь частое явление, что классик американской астрономии Цецилия Пейн-Гапочкин, которая первой доказала, что вещество Вселенной в основном состоит из водорода, как-то пошутила, что три из двух выбранных наудачу звезд входят в состав какой-нибудь бинарной системы.

Сбежать к соседу

Для определенности сначала остановимся на бинарных системах, состоящих из нормальных (то есть сжигающих водород) звезд главной последовательности, обращающихся вокруг единого центра инерции. Каков типичный механизм переноса вещества внутри достаточно тесной звездной пары? Как правило, обе звезды порождены одним и тем же молекулярным облаком и потому имеют одинаковый состав, но различные начальные массы. Более тяжелая звезда первой сжигает запасы водорода, теряет стабильность, многократно увеличивается в размере и превращается в красный гигант. При этом она может не только заполнить свою полость Роша, но и выйти за ее пределы. В таком случае центр звезды уже не сможет удержать своим тяготением вещество раздувшейся оболочки, и звезда начнет терять вещество. Значительная часть этого газа пройдет сквозь горловину на стыке полостей Роша и попадет в гравитационный плен к звезде-компаньонке. Из-за исхудания звезды-донора ее полость Роша будет стягиваться, из-за чего скорость утечки вещества со временем увеличится. Даже когда сравняются массы звезд, утечка только замедлится, но не прекратится вовсе.

Аккреционный диск — это структура, которая образуется из вещества, вращающегося вокруг центрального тела — молодой звезды или протозвезды, белого карлика, нейтронной звезды или черной дыры. Вещество диска под действием гравитации по спирали падает на центральную звезду, при этом происходит разогрев вещества, что порождает электромагнитное излучение, длина волны которого зависит от типа звезды. Диски вокруг молодых звезд и протозвезд излучают в длинноволновом (инфракрасном) диапазоне, а вокруг компактных массивных объектов типа нейтронных звезд и черных дыр — в коротковолновом (рентгеновском).

Перенос вещества знаменует начало сложной эволюции звездной пары. Вторая (менее массивная) звезда захватывает материю соседки и увеличивает свой угловой момент. Чтобы сохранить суммарный момент бинарной системы, звезды сближаются. Позже, когда первая звезда становится легче компаньонки, они начинают расходиться — опять же в силу сохранения общего углового момента. Однако если вторая звезда успеет выйти за границы своей полости Роша, она тоже окажется обречена на потерю плазмы.

Эти превращения чреваты различными исходами, и астрономы пока не умеют их точно моделировать. Однако не подлежит сомнению, что часть выброшенной материи выходит на орбиты, целиком окружающие звездную пару. Чаще всего эта материя образует плоское вращающееся кольцо, которое называется диском экскреции (от лат. excretio — «выделение»). В особых обстоятельствах звездная пара может даже утонуть в шарообразном газовом облаке, порожденном ушедшей в пространство плазмой. Вто же время каждая звезда имеет шансы обзавестись своим собственным колечком поменьше и поплотнее — аккреционным диском (accretio, «прирост»). Возможны и более экзотические сценарии (такие как столкновение и слияние звезд или же съедение соседки более крупной звездой), но в такие дебри мы не станем даже заглядывать.

Полости Роша разграничивают области гравитационного влияния каждого из компаньонов в двойной звездной системе. Все, что находится внутри соответ-ствующей полости, может обращаться только вокруг «своей» звезды. Перетекать из одной полости в другую вещество может только через «горловину», соединяющую полости.

До сих пор речь шла о нормальных звездных парах, но для запуска аккреции вполне достаточно, чтобы всего один партнер обладал газовой оболочкой, способной раздуваться и уходить сквозь горловину полости Роша. Поэтому аккреция возникает, и когда бинарная система объединяет обычную звезду с телом из вырожденной материи, то есть белым карликом, или нейтронной звездой, или даже с черной дырой (исторически аккреционные диски впервые обнаружили при наблюдении белых карликов, имеющих в компаньонах обычные звезды). Более того, именно такие аккреционные процессы имеют наиболее эффектные последствия. Хорошие примеры — взрыв сверхновой типа Iа, обусловленный длительной аккрецией на поверхность белого карлика, почти достигшего верхнего предела своей массы, а также возникновение рентгеновского пульсара, вызванное аккрецией на сильно намагниченную нейтронную звезду. Тем не менее аккреционные диски в системах обычных двойных звезд более типичны — хотя бы потому, что таких пар гораздо больше.

Центрами аккреции могут оказаться и одиночные космические объекты. Любое тело, окруженное газовой или газопылевой средой, притягивает ее частицы, и они могут либо на его поверхность, либо формировать аккреционный диск (что с успехом делают молодые звезды, недавно сформировавшиеся из газопылевых облаков). Однако все же наиболее интересные феномены наблюдаются в аккреционных дисках, возникших в тесных бинарных системах.

Полости Роша

Каждая звезда окружена областью пространства, где господствует ее собственное притяжение, а не гравитация соседки. Размер этой зоны, естественно, зависит от массы звезды. Если такие области пересечь плоскостью, в которой движутся оба светила, получится нечто вроде восьмерки — две вытянутые в линию петельки с единственной общей точкой на отрезке, соединяющем звездные центры (для большей наглядности придется остановить время, ведь эта фигура вращается). В этой точке каждая из звезд тянет в свою сторону с одинаковой силой, и суммарный вектор гравитации оказывается равным нулю. Ее называют первой точкой Лагранжа, хотя вообще-то двумя десятками лет ранее ее выявил Леонард Эйлер.

Пространственные пузыри, о которых идет речь, математически описал Эдуард Рош, французский астроном и математик XIX века, и в его честь их именуют полостями Роша. Космические частицы внутри полости Роша могут вращаться лишь вокруг той звезды, которую эта полость охватывает. Эта же теория утверждает, что вещество может перетекать между звездами сквозь горловину, соединяющую полости, то есть через окрестности первой точки Лагранжа. Материя, которая находится вне полостей, может стабильно обращаться вокруг звездной пары в целом, но ее траектории не ограничиваются путями, охватывающими одну-единственную звезду.

Вся сила в трении

Природа, как известно, сложнее всякой теории. Потерянная звездой-донором материя может мигрировать не только сквозь узкое сопло на стыке полостей Роша, но и более сложным путем, однако в любом случае не покидает орбитальной плоскости бинарной системы. Аккреционные диски возникают тем легче, чем меньше расстояние между космическими компаньонами и геометрический размер тела, к которому движутся плазменные потоки. Это легко понять — члены пары вращаются друг вокруг друга, и у частиц больше шансов не упасть на малую цель, а выйти на охватывающую ее орбиту. Поэтому аккреция на белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры- самый эффективный механизм дискообразования. Дело это не быстрое, годовая скорость транспорта вещества от звезды-донора не превышает миллиардной доли солнечной массы. Сначала «принимающее» тело обзаводится свитой в виде узкого кольца, а диск формируется позднее.

Частицы внутри него имеют разные скорости, которые, в соответствии с третьим законом Кеплера, возрастают по мере приближения к центральному телу (именно поэтому Меркурий обращается вокруг Солнца быстрее, нежели Земля). В результате в веществе диска возникает внутреннее трение, которое гасит кинетическую энергию частиц и заставляет их двигаться по спиральным траекториям. Некоторые частицы в конце концов падают на поверхность притягивающего объекта, будь то атмосфера обычной звезды, твердая корка звезды нейтронной или горизонт событий черной дыры. Так что диск непрерывно теряет вещество, но в то же время непрерывно получает новое от звезды-донора.

Используя инструмент Large area Telescope (LAT) космической гамма-обсерватории Fermi, астрономам в 2009 году впервые удалось доказать, что микроквазары могут испускать гамма-излучение высоких энергий, причем за счет не аккреции, а более сложного механизма. Более крупная звезда в двойной системе Лебедь X-3 — это звезда Вольфа-Райе с температурой поверхности более 100 000 К. Она и второй компаньон (нейтронная звезда или черная дыра) с аккреционным диском обращаются вокруг общего центра масс с периодом около пяти часов. Максимум интенсивности гамма-излучения наблюдается, когда релятивистский компаньон находится с дальней (относительно Земли) стороны крупной звезды, — это означает, что гамма-излучение возникает за счет обратного эффекта Комптона — рассеяния ультрафиолетовых фотонов звезды на горячих релятивистских электронах джетов, разогнанных магнитным полем компактного компаньона.

Это же трение нагревает вещество диска и превращает его в источник электромагнитного излучения. Диск становится светящимся объектом — фигурально говоря, плоской звездой. В максимуме температура внутренней зоны диска может составлять десятки миллионов градусов. Этого достаточно для генерации рентгеновских квантов, что и происходит в дисках вокруг нейтронных звезд и черных дыр звездной массы. Центральная зона такого диска светит ультрафиолетом, а внешняя, чья температура обычно не превышает температуры солнечной поверхности, испускает лучи видимого спектра. Как правило, диски вокруг белых карликов не нагреваются более чем до 20 000 градусов иих спектр не простирается дальше ультрафиолетовой зоны. Самые холодные аккреционные диски, окружающие протозвезды и молодые звезды, способны генерировать лишь инфракрасное излучение. Таким образом, по ширине спектра излучения плоские звезды не уступают обычным.

Идея фрикционного (обусловленного трением) нагрева диска выглядит простой и естественной, однако это всего лишь видимость. Подобный нагрев нельзя объяснить простым столкновением газовых молекул — в этом случае температуры внутри диска будут много ниже наблюдаемых в действительности. Пока его механизмы понятны лишь в общих чертах, но, как говорится, дьявол скрывается в деталях. Одна из весьма популярных ныне теорий объясняет генерацию тепла возникновением магнитно-ротационной нестабильности — турбулентных вихревых потоков, связанных магнитными полями. Так ли это, еще предстоит выяснить.

Система Лебедь X-3 представляет собой пару из горячей массивной звезды и компактного релятивистского объекта (нейтронной звезды или черной дыры), который выбрасывает джеты — релятивистские струи вещества, излучающего в радиодиапазоне. Астрономы называют такие объекты микроквазарами, поскольку по своим свойствам — излучение в очень широком диапазоне, быстрое изменение блеска и радиоизлучающие джеты — они напоминают квазары и блазары с очень массивными черными дырами в центре, но в миниатюре. На иллюстрации — фото, сделанное в гамма-диапазоне космической гамма-обсерваторией Fermi в области созвездия Лебедя. Кружком обведен Лебедь X-3, впервые обнаруженный в 1966 году как мощный источник рентгеновского излучения. Более яркие точки — это пульсары.

Живой и светится

Аккреционные диски не перестают удивлять астрономов. Профессор Техасского университета Крейг Уилер как-то отметил, что они живут своей собственной жизнью. Аккреционный диск способен изменять светимость, причем в весьма широких пределах. Это не универсальное правило — некоторые диски стабильно излучают электромагнитную энергию, а некоторые вспыхивают лишь время от времени. Как раз такое поведение характерно для дисков, окружающих компактные объекты — белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.

Наиболее типичная (но отнюдь не единственная) причина таких вспышек состоит в том, что интенсивность фрикционного нагрева диска в значительной мере зависит от его температуры. При нагреве не выше нескольких тысяч градусов вещество диска прозрачно для инфракрасного излучения и быстро теряет тепло. В этих условиях трение довольно слабое, частицы диска не особенно тормозятся и в большинстве остаются на стабильных орбитах, не стягивающихся к центру аккреции.

Однако температура диска определяется также его плотностью, которая связана с темпом поступления вещества от звезды-донора. Если она подпитывает диск достаточно щедро, плотность его вещества растет, диск постепенно теряет прозрачность и все лучше удерживает тепло. Поскольку он при этом нагревается, прозрачность еще сильнее уменьшается, и это опять же подхлестывает рост температуры. Вещество становится очень горячим, начинает ярко светиться, излучая все больше и больше коротковолновых фотонов. Диск вспыхивает, подобно переменной звезде, быстро увеличивая блеск до разрешенного природой максимума.

Трехмерная модель аккреции двойной звезды SS Лебедя, представителя одного из подклассов карликовых новых. Блеск SS Лебедя возрастает на 2−6 звездных величин на 1−2 дня с периодом от 10 дней до нескольких лет, механизм этих вспышек объясняется последствиями перехода вещества в диске из одного устойчивого состояния (нейтрального) в другое (ионизованное).

А затем опять вмешивается трение. Оно становится настолько большим, что тормозит молекулы во внешней части аккреционного диска. Они теряют скорость и мигрируют к центру диска, вследствие чего периферийная зона становится более разреженной и посему прозрачной для радиации. Процесс поворачивается в обратную сторону — диск теряет тепло с внешнего края, охлаждается, делается прозрачней и, соответственно, охлаждается еще сильнее. В конце концов температура всего диска снижается настолько, что он опять превращается в источник одного лишь инфракрасного излучения. Поскольку аккреция со звезды-донора не прекращается, диск начинает греться — и цикл повторяется заново.

Естественно, что такие циклы различны для разных дисков — все зависит от конкретных условий. Продолжительность холодной стадии может изменяться в широких пределах — от недель до десятков лет. В этой фазе диск практически невидим, разве что уж очень настойчиво приглядываться к нему с помощью инфракрасной аппаратуры. Длительность горячей фазы и, соответственно, высокой яркости диска в среднем в десять раз короче. Поэтому втесной двойной системе типичный аккреционный диск в каком-то смысле ведет себя подобно электрическому конденсатору, который долго копит энергию и потом быстро разряжается. Интересно, что даже если звезда-донор поставляет вещество с постоянной скоростью, диск все равно периодически мигает и гаснет. Как и сердце красавицы, он склонен если не к измене, то к перемене.

Диски и катаклизмы

Для иллюстрации богатых возможностей аккреционных дисков рассмотрим обширный класс космических объектов, объединенных общим названием «катаклизмические переменные». Это тесные бинарные системы, состоящие из звезды главной последовательности (обычно из самых легких, но порой и красного гиганта) и белого карлика. Они проявляют себя весьма нестабильным излучением (отсюда и название), которое внемалой степени обусловлено наличием аккреционного диска.

Генераторы антиматерии

Аккреционный диск совсем не обязан быть плоским. Последние теоретические исследования показали, что на стадии охлаждения плотность вещества в центре диска может упасть столь сильно, что частицы почти перестают замечать друг друга. Интенсивность электромагнитного излучения резко снижается, тепло перестает отводиться, и диск, несмотря на сильную разреженность, быстро нагревается. Давление в его центре увеличивается настолько, что образуется почти сферический пузырь, заполненный сверхгорячей плазмой. Температура этой плазмы может превысить предел, за которым возникают электронно-позитронные пары, и распухшая внутренняя зона диска становится источником антиматерии. Теоретики полагают, что подобные процессы обычно имеют место в окрестностях черных дыр, в частности, сверхмассивных. Большая часть тепловой энергии непосредственно поглощается самой дырой, остаток же излучается в виде жесткого рентгена и гамма-квантов.

Практически все катаклизмические переменные испускают свет и тепло не только из срединных и центральных зон аккреционных дисков, но и из области на стыке горловины полости Роша и внешнего края диска. Ее называют горячим пятном — и есть за что. Газовые частицы, приходящие от звезды-донора, на этом участке сталкиваются с материей аккреционного диска и сильно ее нагревают. Светимость горячего пятна может превосходить светимость внутренних зон диска, хотя размер его значительно меньше.

Известно несколько разновидностей катаклизмических переменных. К одной из них относятся классические новые звезды (или просто новые). В этих системах вещество аккреционного диска в изобилии падает на поверхность белого карлика со скоростью около тысячи километров в секунду. Более 90% этого вещества состоит из водорода и поэтому может служить топливом для термоядерных реакций. Для их запуска надо, чтобы водород разогрелся до критической температуры порядка 10 млн градусов. Поскольку эти реакции интенсивно выделяют энергию, на поверхности белого карлика возникают ударные волны, которые буквально взрывают его внешний слой и выбрасывают сверхгорячую плазму в окружающее пространство. В это время светимость системы возрастает на 3−6 порядков. По завершении вспышки белый карлик принимается копить на поверхности новый запас водорода — горючее для очередного взрыва. Согласно теории, классические новые могут загораться с интервалом в 10000 лет, но до сих пор этого еще не наблюдали (что и неудивительно — история астрономии значительно короче).

Другой вид катаклизмических переменных — повторные новые. Они увеличивают яркость гораздо скромнее, максимум в тысячу раз, зато вспыхивают каждые 10−100 лет. Механизм таких вспышек пока точно не известен. Есть еще карликовые новые, светимость которых возрастает лишь десятикратно в течение недель или месяцев. Не исключено, что это обусловлено фрикционным перегревом аккреционного диска, однако такое объяснение не вполне общепринято.

Окольцевать черную дыру

Самые большие аккреционные диски имеются у сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Основным источником материи для таких дисков служат горячие молодые звезды, чье излучение активно выбрасывает в пространство плазму с внешних оболочек (это явление называют звездным ветром). Как рассказал «ПМ» профессор астрономии Мичиганского университета Джон Миллер, эти диски нагреваются примерно до таких же температур, что и диски вокруг белых карликов, и поэтому в основном генерируют ультрафиолетовое излучение. Это может показаться странным, поскольку вес самих дыр составляет миллионы и миллиарды солнечных масс. Однако дело в следующем: поверхность подобного диска столь обширна, что быстро излучает тепло — по той же причине чай в блюдечке стынет много быстрее, нежели в чашке.

«За последние годы достигнут значительный прогресс в изучении потоков частиц в аккреционных дисках, окружающих черные дыры различного калибра, — говорит профессор Миллер. — Внутренние края таких дисков могут настолько приблизиться к границе черной дыры, что попадут в области, где уже работает общая теория относительности. Спектральный анализ исходящего оттуда излучения обещает немало интересного. Аккреционный диск может служить своеобразным индикатором вращения черной дыры. Теория утверждает, что внутренний край диска должен подойти к горизонту событий вращающейся дыры ближе, чем к горизонту дыры той же массы с нулевым угловым моментом. Уже есть приборы, способные обнаружить этот эффект и тем самым выявить вращение черной дыры. Вполне возможно, в ближайшем будущем это удастся».

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

Нейтронная звезда - это сжатое ядро массивной звезды, очень плотные угли, оставшиеся после сверхновой. Её масса сравнима с солнечной, но сжата она до размеров города. Таким образом, нейтронные звёзды служат плотнейшими резервуарами материи во Вселенной - «последнее вещество на рубеже чёрной дыры», как говорит Марк Алфорд , физик из Вашингтонского университета в Сент-Луисе.

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

Атмосфера - лёгкие элементы вроде водорода и гелия
Внешняя оболочка - ионы железа
Внутренняя оболочка - решётка ионов
Внешнее ядро - богатые нейтронами ионы в море свободных нейтронов

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.

Теоретики спорят о том, что происходит дальше, когда плотность в 2-3 раза начинает превышать плотность нормального атомного ядра. С точки зрения ядерной физики нейтронные звёзды могут просто состоять из протонов и нейтронов, то есть, нуклонов. «Всё можно объяснить вариациями нуклонов», - говорит Джеймс Латтимер , астрофизик из Университета в Стони-Брук.

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?

Что бы ни находилось в ядре нейтронной звезды - свободные кварки, конденсат каонов, гипероны или старые, добрые нуклоны - этот материал должен держаться против сокрушительной гравитации, превышающей солнечную. Иначе звезда схлопнулась бы в чёрную дыру. Но разные материалы могут сжиматься гравитацией в разной степени, что определяет максимально возможный вес звезды для заданного физического размера.

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

ПО АСТРОНОМИИ И ФИЗИКЕ КОСМОСА 2008 ГОДА 5-6 класс

ЗАДАЧИ ОКРУЖНОГО ТУРА 62-Й МОСКОВСКОЙ ОЛИМПИАДЫ

ПО АСТРОНОМИИ И ФИЗИКЕ КОСМОСА 2008 ГОДА 7-8 класс

5. Опишите, как изменится вид звездного неба для космонавтов на Марсе.

ЗАДАЧИ ОКРУЖНОГО ТУРА 62-Й МОСКОВСКОЙ ОЛИМПИАДЫ

ПО АСТРОНОМИИ И ФИЗИКЕ КОСМОСА 2008 ГОДА 9-10 класс

1 августа 2008 года на территории России произойдет уникальное астрономическое явление – полное солнечное затмение. Полоса полного солнечного затмения шириной около 250 км пересечет Западную Сибирь с севера на юг, затем Алтай. Следующие полные солнечные затмения состоятся: в Европе – в 2026-м, в России – в 2030м годах. Лунное затмение 21 февраля 2008 года будет наблюдаться в западных районах страны, Европе, в Америке. Почему лунное затмение можно наблюдать со всей территории огромной страны одновременно, а солнечное затмение – только из нескольких определенных мест и при этом в разное время? Межпланетная станция «Мессенджер» стартовала 3 августа 2004 года и должна выйти на орбиту вокруг Меркурия 18 марта 2011 года. Полет к Меркурию во многом сложнее, чем к внешним планетам. Эти трудности привели к тому, что Меркурий остается куда менее исследованной планетой, чем, например, гораздо более далекие Юпитер или Сатурн. С Меркурием сближался только один космический аппарат «Маринер-10», который дважды пролетел мимо него - в сентябре 1974-го и в марте 1975 года. Известно, что в 2008 году межпланетная станция «Мессенджер» пролетит мимо Меркурия дважды: 14 января и 6 октября . Как происходит данный полёт? 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¤= 2·1030 кг. Три звезды имеют одинаковые размеры, но температура первой звездыК, второй звездыК, а третьей звезды – 3000 К. Какая из этих звезд излучает больше энергии и в какой области спектра? 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/с2.

Решение 5-6 класс

Суточное движение Солнца в Москве происходит слева направо. Всегда ли для земного наблюдателя это справедливо? Сделайте чертёж, подтверждающий вашу точку зрения.

Это справедливо только для северного полушария. В южном полушарии Солнце движется справа налево.

Полоса полного затмения очень узкая, например в 2008 году только 250 км. Но в нее попадет Нижневартовск, Новосибирск и Бийск.

В какой фазе будет находиться Луна 1 августа 2008 года и в какой – 17 августа 2008 года? Нарисуйте данные фазы Луны.

Сколько на небе зодиакальных созвездий? Постарайтесь их перечислить.

Видимый годовой путь Солнца проходит через 13 созвездий, начиная от точки весеннего равноденствия: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Змееносец, Стрелец, Козерог, Водолей, Рыбы, 12 из которых относятся к знакам зодиака. Пояс из 12 зодиакальных созвездий называется Зодиаком. Созвездие Змееносца не входит в число знаков Зодиака. Это произошло потому, что в древности зодиакальный пояс делили на 12 созвездий, выполнявших роль календаря, в каждом Солнце находилось около месяца. Поэтому зодиакальных созвездий 13, а знаков зодиака – 12.

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

Рисунок должен отражать, что наша Галактика – спиральная. Очень хорошо, если будет указано, что есть перемычка. Примерные размеры Галактики и расстояние Солнца от центра Галактики должны быть выдержаны в соответствующем масштабе. Очень хорошо, если на рисунке будут изображены шаровые скопления и гигантские молекулярные облака. Рассеянные скопления 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.

Решение 7-8 класс

Решение

Солнечные затмения можно видеть только в тех областях Земли, по которым проходит полоса тени Луны. Диаметр тени не превышает 270 км, поэтому полное затмение Солнца одновременно видно лишь на малом участке земной поверхности, и область тени перемещается, поэтому в разных точках полосы затмения оно наступает в разное время. Полные солнечные затмения длятся менее 6 минут. Продолжительность полного солнечного затмения в Новосибирске 1 августа 2008 года будет продолжаться 2 минуты 20 секунд. При пролёте на самолете можно продлить затмение, если двигаться внутри лунной тени со скоростью 1 км/с.

2. Какая из перечисленных звезд – Арктур, Вега, Капелла, Полярная, Сириус – является самой яркой звездой северного полушария? В каком созвездии она расположена и какую примерно имеет видимую звездную величину? В какие месяцы эту звезду лучше всего наблюдать в 22-23 часа?

Решение

Самая яркая звезда на небе – Сириус. Но эта звезда не северного небесного полушария, а южного. Поэтому это Вега – альфа Лиры. Видимая звёздная величина m = 0,14. Лучше всего видна в летние месяцы – Летний Треугольник.

3. В стихотворении Ю. Валишина про пояс зодиака говорится, что "...Мы в январе увидим Рака, а в феврале заметим Льва..." С другой стороны нам известно, что это летние созвездия зодиака. Когда мы видим созвездия Рака и Льва – летом или зимой? Почему такое несоответствие?

Решение.

Созвездия Рака и Льва являются зодиакальными созвездиями, они соответствуют летним знакам Зодиака. Но эти созвездия мы наблюдаем зимой. Это в астрологии эти знаки летние, а на самом деле эти созвездия видны зимой. Знаков зодиака – 12, а зодиакальных созвездий – 13.

4. Сделайте чертёж Солнечной системы, в котором укажите большие планеты и другие космические объекты.

Решение.

Хорошо, если между Марсом и Юпитером будет нарисован пояс астероидов . Будет отмечены карликовые планеты: Церера, Плутон, Эрис и Седна. Очень хорошо, если будет нарисован второй пояс астероидов за орбитой Нептуна (пояс Койпера) и облако Оорта.

Опишите, как изменится вид звездного неба для космонавтов на Марсе.

Вид звёздного неба не изменится, очертания созвездий будут совершенно такие же! А вот размеры планет изменятся. Меркурий будет виден вблизи Солнца. Появится крупная внутренняя планета – Земля.

Решение 9-10 класс

1. 1 августа 2008 года на территории России произойдет уникальное астрономическое явление – полное солнечное затмение. Полоса полного солнечного затмения шириной около 250 км пересечет Западную Сибирь с севера на юг, затем Алтай. Следующие полные солнечные затмения состоятся: в Европе – в 2026-м, в России – в 2030м годах. Лунное затмение 21 февраля 2008 года будет наблюдаться в западных районах страны, Европе, в Америке. Почему лунное затмение можно наблюдать со всей территории огромной страны одновременно, а солнечное затмение – только из нескольких определенных мест и при этом в разное время?

Решение. Солнечные затмения можно видеть только в тех областях Земли, по которым проходит полоса тени Луны. Диаметр тени не превышает 270 км, поэтому полное затмение Солнца 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, в каждой местности Земли солнечные затмения наблюдаются редко. Луна в момент полного лунного затмения в действительности лишается солнечного света, поэтому полное лунное затмение видно из любой точки полушария Земли. Затмение начинается и заканчивается одновременно для всех географических точек, для всех стран. Однако местное время этого явления будет разное

2. Межпланетная станция «Мессенджер» стартовала 3 августа 2004 года и должна выйти на орбиту вокруг Меркурия 18 марта 2011 года. Полет к Меркурию во многом сложнее, чем к внешним планетам. Эти трудности привели к тому, что Меркурий остается куда менее исследованной планетой, чем, например, гораздо более далекие Юпитер или Сатурн. С Меркурием сближался только один космический аппарат «Маринер-10», который дважды пролетел мимо него - в сентябре 1974-го и в марте 1975 года. Известно, что в 2008 году межпланетная станция «Мессенджер» пролетит мимо Меркурия дважды: 14 января и 6 октября. Как происходит данный полёт?

Решение.

Если лететь по простейшей межпланетной трассе – эллипсу, который в афелии касается орбиты Земли, а в перигелии – орбиты Меркурия, – то потребуются очень большие затраты топлива, так как скорость орбитального движения Меркурия 48 км/с. При подлете к планете для торможения нельзя воспользоваться ни атмосферой, как при полете к Марсу, ни тяготением спутников, как при путешествии к Юпитеру или Сатурну, – у Меркурия просто нет ни того, ни другого. А если тормозить двигателем, то понадобится очень большой запас топлива. Для миссии «Мессенджер» была разработана очень сложная траектория, которая включает целую серию гравитационных маневров и изменений орбиты в открытом космосе. Прежде чем он достигнет первой планеты от Солнца, ему предстоит сделать семь витков вокруг нашей звезды и совершить несколько маневров в гравитационных полях Земли, Венеры и самого Меркурия. После запуска станция должна дважды пролететь вблизи Венеры (24 октября 2006 и 5 июня 2007), гравитационное поле которой искривит траекторию так, чтобы станция точно вышла к Меркурию. Исследования намечено провести в две фазы: сначала ознакомительные - с пролетной траектории при трех встречах с планетой (14 января 2008 , 6 октября 2008 , 29 сентября 2009), а затем (с 18 марта 2011) детальные - с орбиты искусственного спутника Меркурия, работа на которой будет происходить в течение одного земного года.

При оценке данного задания положительно оценивать, если учащиеся опишут словами гравитационный манёвр.

В случае, если будет описано реальное движение, прибавить баллы.

3. 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¤= 2·1030 кг.

Решение. Звезды находятся на расстоянии 2R друг от друга. Fграв.= G×

С другой стороны, F = https://pandia.ru/text/78/231/images/image007_9.gif" width="80 height=47" height="47">= 3×106 м, меньше, чем размеры Земли.

6. Три звезды имеют одинаковые размеры, но температура первой звездыК, второй звездыК, а третьей звезды – 3000 К. Какая из этих звезд излучает больше энергии и в какой области спектра?

Решение.

Больше излучает горячая звезда, причем во всех областях спектра.

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/с2.