Задача 4
Находясь в западной квадратуре, планета Марс оказалась на небе очень близко к звезде спектрального класса G. Линии в спектре Марса и звезды точно совпали по длинам волн. Найти лучевую скорость звезды относительно Солнца. Орбиты Земли и Марса считать круговыми.
Решение
Показать решение
По спектральному классу звезда похожа на Солнце, то есть, содержит примерно те же спектральные линии. В спектре Марса линии тоже, в основном, солнечные, так как планета отражает солнечный свет. Даже если в спектре Марса и будут собственные спектральные линии, они не будут смещены относительно солнечных, так как орбиту Марса по условию задачи мы считаем круговой, и расстояние между Марсом и Солнцем не изменяется. Звезда и Марс движутся относительно наблюдателя на Земле с некоторыми скоростями. Одинаковое смещение спектральных линий от эталонного положения означает, что лучевые скорости звезды и планеты равны. Изобразим положение планет, описанное в условии задачи:
В момент западной квадратуры Марса планета Земля летит в пространстве со скоростью точно по направлению к Марсу, скорость же Марса образует некоторый угол к линии "Земля-Марс". Лучевая скорость Марса в момент наблюдений с Земли составляет
Здесь и – радиусы орбит Земли и Марса. Круговые скорости планет при обращении по орбитам равны
3десь M – масса Солнца. Поэтому для круговых скоростей справедливо соотношение:
В итоге,
Обратим внимание, что эта скорость отрицательна, то есть Земля приближается к Марсу. Коль скоро линии в его спектре совместились с линиями в спектре звезды, геоцентрическая лучевая скорость у звезды также равна . Так как звезда располагается несравнимо дальше Солнца, направление от Солнца и Земли к звезде одинаковы, и искомая гелиоцентрическая лучевая скорость звезды равна
Обратим внимание, что эта скорость положительна: звезда удаляется от Солнца.
4. Система оценивания. Для решения задачи участники олимпиады должны указать, что геоцентрические лучевые скорости Марса и звезды совпадают, что оценивается в 2 балла. После этого участники могут вести решение способом, описанным выше, записав выражение (либо найдя численно) геоцентрическую лучевую скорость Марса (3 балла), приравнять ее к геоцентрической лучевой скорости звезды (1 балл) и вычислить гелиоцентрическую скорость звезды (2 балла). Они могут также, напрямую связать компоненту гелиоцентрической скорости Марса ( ), направленную от Земли, с гелиоцентрической скоростью звезды, что также является правильным.
Если участник олимпиады путает гелиоцентрическую и геоцентрическую лучевые скорости, получая в итоге ответ около -14 км/с, максимальная оценка не может превышать 4 баллов.
Если участник олимпиады путает восточную элонгацию с западной, что при правильных вычислениях дает ошибку в знаке итоговой скорости, итоговая оценка составляет не более 6 баллов.