10.1 Шаровое скопление
Шаровое звездное скопление содержит 100 тысяч звезд светимостью = 0.5 ⊙ каждая и 80 красных гигантов с абсолютной звездной величиной = −3 . Радиус скопления – 10 пк. Угловой размер скопления – 20′ . Определите:
-
A. Расстояние до скопления. Находится ли данное скопление в нашей Галактике?
-
B. Видимую звездную величину всего скопления.
Межзвездным поглощением и поглощением в земной атмосфере пренебречь.
Решение
Показать решение
Решение. Сначала ответим на первый вопрос задачи и определим расстояние до шарового скопления. Запишем формулу углового размера:
Здесь стоит обратить внимание, что угловой размер – это видимый угловой диаметр объекта. – это искомое расстояние до объекта.
Выразим зависимость от расстояния и подставим значения:
Расстояние 3440 пк (или 3.4 кпк) меньше, чем радиус Галактики Млечный Путь (около 15 кпк) и радиус звездного гало нашей Галактики (до 30 кпк). Поэтому данное скопление относится к нашей Галактике.
Перейдем ко второму вопросу задачи. Скопление состоит из двух подсистем. Сначала определим звездную величину каждой из подсистем, а потом вычислим звездную величину всего скопления.
Сначала рассмотрим подсистему красных гигантов. Известна абсолютная звездная величина каждой звезды и число таких звезд 1 = 80. Для определения суммарной звездной величины нужно складывать не сами звездные величины, а создаваемые звездами освещенности. Воспользуемся законом Погсона для абсолютных звездных величин и светимостей звезд:
Подставив известные значения, получим абсолютную звездную величину подсистемы красных гигантов:
Видимую звездную величину получим, используя зависимость между видимой и абсолютной звездной величинами. Так как межзвездного поглощения нет, то она выглядит следующим образом
Отсюда
Теперь рассмотрим подсистему обычных звезд. Каждая звезда имеет светимость . Полная светимость такой подсистемы, состоящей из одинаковых звезд, будет равна
Далее видимую звездную величину можно получить двумя способами: через абсолютную звездную величину или через определение освещенности. Оба варианта равноправны. Покажем их оба.
(1) Выразим абсолютную звездную величину Солнца. Для этого запишем формулу Погсона для абсолютных звездных величин. В этом случае отношение освещенностей E будет равно отношению светимостей L, так как в определении абсолютных звездных величин мы считаем, что расстояние до объектов одинаковое (10 пк).
Из справочных данных возьмем абсолютную звездную величину Солнца .
Для перехода между видимой и абсолютной звездными величинами воспользуемся формулой
Отсюда
(2) Рассмотрим второй вариант решения этого пункта. Освещенность объекта связана с его светимостью, как . Следовательно можно определить освещеность объекта, а при использовании формулы Погсона сравнить освещенность объекта с освещенностью от известного нам объекта, например, Солнца.
В принципе, уже при такой записи все величины под логарифмом являются или табличными значениями или известными по ходу решения задачи. В справочных данных можно взять видимую звездную величину Солнца, светимость Солнца и солнечную постоянную . Если же участнику сразу не очевидно, чему равна освещенность Солнца на удалении 1 а.е, ее можно выразить через светимость Солнца:
Такая запись позволит уменьшить вероятность арифметических ошибок, а при подстановке численных значений ее можно еще упростить:
Теперь перейдем к определению видимой звездной величины всего скопления. У нас есть две подсистемы звезд, имеющие видимые звездные величины и . Суммарную звездную величину будем определять, складывая освещенности, а не звездные величины.
Запишем формулу Погсона:
Отношение освещенностей можно выразить через формулу Погсона и звездные величины и , которые уже известны.
Подставляем значения:
Обратим внимание, что при записи формулы Погсона можно сравнивать с любой из звездных величин . Но, как правило, удобнее использовать более тусклый объект.
| итерии оценивания. | 16 | |
|---|---|---|
| K1. | Запись формулы углового размера | 1 |
| K2. | Определение расстояние до скопления | 3 |
| Ошибка в 2 раза из-за подстановки радиуса вместо диаметра | ||
| В случае, если расстояние найдено неверно, дальнейшее решение участника оценивается, | ||
| исходя из значений, полученных участником. При этом максимальная оценка по критерию | ||
| 4 остается без изменений | ||
| Если найденное расстояние получилось менее 10 пк (радиус скопления), оценка по крите- | ||
| рию 4 равна 0 баллов. Никакие промежуточные баллы из данных критериев в этом случае | ||
| не выставляются даже при их наличии и верном выполнении. | ||
| K3. | Обоснованное утверждение, что скопление находится в Галактике Млечный путь | 2 |
| Дан только правильный ответ без обоснования | ||
| K4 . | Определение видимой звездной величины скопления | . 10 |
| Запись формулы и расстояния | ||
| Подсистема красных гигантов. Определение абсолютной звездной величины 1 | ||
| Определение видимой звездной величины подсистемы красных гигантов 2 | ||
| Подсистема обычных звезд. Суммарная светимость | ||
| Подсистема обычных звезд. Абсолютная звездная величина (или освещенность)1 | ||
| Подсистема обычных звезд. Определение видимой звездной величины | ||
| Определение общей звездной величины скопления. Метод сложение освещенностей 1 | ||
| Определение общей звездной величины скопления. Полученный численный ответ 1 |