Задача 3
Оптическая звезда входит в двойную систему с темным компактным объектом. Масса темного объекта равна 1.4 массы Солнца. Движение вокруг центра масс происходит так, что у оптической звезды исчезает годовое параллактическое смещение в небе Земли. Определите массу этой звезды. Орбиты Земли и звезд в системе считать круговыми.
Решение
Показать решение
Изобразим описанную в условии задачи систему из светлой и темной звезды. Обе они движутся по круговым орбитам вокруг центра масс. Коль скоро у светлой звезды с массой M нет параллактического смещения, линия "Земля звезда" все время сохраняет фиксированное направление в пространстве. В случае круговых орбит это может быть только в том случае, если звезда описывает круг около центра масс с радиусом R, равным 1 а.е. с периодом 1 год в плоскости, параллельной плоскости вращения Земли (плоскости эклиптики).
Выражая радиусы орбит в астрономических единицах, массы – в массах Солнца, а период обращения – в годах, запишем выражение обобщенного III закона Кеплера:
Фактически, мы сравниваем эту систему с системой "Солнце-Земля", где все три величины равны единице. Для двойной системы также T=1, а для радиусов орбит справедливо соотношение:
Отсюда r = R (M/m), и далее:
Обе величины M и m безразмерны, так как представляют собой отношение масс звезд к массе Солнца. Умножая обе части уравнения на , получаем:
Из этого мы можем определить массу звезды M (в массах Солнца):
Оптическая звезда, вероятно, представляет собой красный карлик и является, по сути, спутником темного массивного объекта.
3. Система оценивания. Для решения задачи участники олимпиады должны сделать вывод о том, что круговая траектория оптической звезды по своим характеристикам идентична орбите Земли. Этот вывод можно сделать в другом виде: смещение равно параллаксу, а параллакс есть угол, под которым виден радиус орбиты Земли, следовательно, радиус орбиты звезды равен 1 а.е. Вывод в любой из форм оценивается в 2 балла. Если он не выписан в явном виде, эти 2 балла не выставляются, но дальнейшее решение оценивается в полной мере.
Правильное использование III закона Кеплера оценивается в 2 балла, при этом его запись может отличаться от приведенной выше (может использоваться полная формулировка с системным выражением всех величин). Правильное соотношение радиусов орбит звезд оценивается еще в 1 балл. Наконец, 3 балла выставляется за правильное математическое исполнение решения и запись ответа.