9.2 Тихо! Эхо сверхновой
Иоганн Кеплер открыл три своих закона, основываясь на чрезвычайно точных результатах наблюдений великого датского астронома Тихо Браге, с которым он работал в его последний год жизни. В молодые годы Браге наблюдал вспышку сверхновой, которую мы теперь называем сверхновой Тихо. Ее современные координаты: прямое восхождение 0 = 00h 25m 08s , склонение 0 = +64∘ 09′ 56′′, а годичный параллакс ′′ = (0.43 · 10−3 ) ′′ .
Спектр сверхновой был определен астрономами в 2006 году благодаря эффекту светового эха. Излучение от вспышки, рассеянное на окружающих пылевых структурах, позволило получить её спектр и установить тип сверхновой. Координаты одной из наблюдаемых пылевых структур = 01h 46m 38s , = +57∘13′36′′ .
-
- Оцените расстояние между сверхновой Тихо и этой пылевой структурой. Ответ выразите в световых годах.
-
- Одновременно световое эхо от этой сверхновой может наблюдаться на многих пылевых структурах. Выделим любую плоскость, содержащую прямую наблюдатель-сверхновая. Определите вид кривой в этой плоскости, вдоль которой располагаются отражающие структуры?
Решение.
Ответ
Показать ответ
Комментарий. Результат с точностью до нескольких процентов совпадает с вычисленным расстоянием в статье «Scattered-light echoes from the historical galactic supernovae Cassiopeia A and Tycho (SN 1572)», из которой брались данные для этой задачи.
Решение
Показать решение
Тихо Браге наблюдал свет сверхновой, который двигался к нам по кратчайшему расстоянию. Это произошло совсем недавно по космическим меркам, так что расстояние до места вспышки сверхновой можно считать неизменным. Его можно определить из годичного параллакса:
Свет, отразившийся от пылевого облака, преодолел расстояние большее на величину, которую свет проходит за время, прошедшее с момента наблюдения самой сверхновой. Вспышка наблюдалась в 1572 году, то есть за 434 года до определения спектра. Но можно и примерно прикинуть время этого события. Например, опираясь на время работы Кеплера. Другое реперное событие — изобретение телескопа. Тихо Браге был, пожалуй, последней яркой фигурой в дотелескопической астрономии, а Кеплер уже модернизировал телескоп Галилея новым окуляром. Телескоп был изобретен примерно 400 лет назад, а молодость Тихо Браге должна была прийтись не менее чем на четверть века раньше. Для дальнейших вычислений будем принимать величину запаздывания отраженного сигнала равной ∆ = 400 лет. Следовательно, этот сигнал прошел дополнительные 400 световых лет или 123 пк.
Обратимся к рисунку. Обозначим точкой место вспышки сверхновой, — положение наблюдателя, а — пылевую структуру, отразившую свет сверхновой. Расстояние обозначим как 2, — как 1: 1 + 2 = + ∆.
Заметим, что последнее уравнение описывает геометрическое место точек , сумма расстояний которых от двух заданных точек и постоянна. Это геометрическое определение эллипса, то есть все отражающие структуры, которые мы можем видеть одновременно лежат на дуге эллипса (поверхности эллипсоида в общем случае).
Обозначим угол ∠ как . Запишем теорему косинусов для треугольника △:
Раскроем скобки в правой части. Тогда члены с 2 2 сократятся и уравнение станет линейным относительно 2. Проведя простые преобразования, получим:
Угол — это угловое расстояние между пылевой структурой и сверхновой. Из координат видно, что это расстояние невелико, поэтому можем получить приближенное значение с помощью теоремы Пифагора. Главное, не забывать, что при больших склонениях координатная сетка по прямому восхождению сжата в cos раз.
Здесь ⟨⟩ — среднее значение склонения, ∆ и ∆ — разности прямых восхождений и склонений сверхновой и пылевой структуры. Для любителей сферических треугольников приведем точное решение:
Из полученной ранее формулы получаем
Критерии
Показать критерии
| Критерии оценивания. | 15 | |
|---|---|---|
| К1. | Расстояние до сверхновой | 1 |
| К2. | Правильное понимание геометрии явления светового эха1 | |
| Нарисована правильная схема или дано словесное описание явления. | ||
| К3. | Время, прошедшее с момента наблюдения сверхновой (от 370 до 500 лет) | 3 |
| Если ответ не попадает в правильный диапазон, но попадает в диапазон [250; 550], то за этот критерий выставляется 1 балл, иначе — 0 баллов. Дальнейшее решение оценивается полностью, кроме К7. | ||
| К4. | Вывод, что структуры располагаются вдоль эллипса | 2 |
| Ответ без обоснования не оценивается | ||
| К5. | Вычисление угла 𝜃 | 2 |
| cos⟨𝛿⟩, то 1 балл. Допустимо вместо ⟨𝛿⟩ Если не учтен использовать склонение сверхновой или структуры. | ||
| К6. | Вывод формулы для вычисления 𝐿2 | 3 |
| К7. | Окончательный ответ в диапазоне от 2200 до 2600 св. лет3 | |
| Ответ дан не в световых годах — оценка за критерий снижается на 1 балл. | ||
| Ответ дан вне правильного диапазона, но в диапазоне [2090; 3200] cв. лет — штраф 1 балл. | ||
| В остальных случаях оценка за этот пункт не выставляется. |