9.6 Галактический пролет
В плоскости Галактики вдали от тяготеющих тел двигаются две звезды и . Можно считать, что звезды двигаются равномерно и прямолинейно, гравитационным влиянием друг на друга можно пренебречь. Длина вектора скорости показывает расстояние, пройденное звездой за 10~000 лет. Определите следующие величины:
-
А) Минимально возможное расстояние между двумя звездами в парсеках.
-
В) Через какое время в прошлом или в будущем это произойдет? Ответ дайте в годах.
-
С) Относительную скорость звезды для наблюдателя из окрестностей звезды в километрах в секунду.
-
D) Собственное движение звезды со звезды в начальный момент времени и в момент минимального пролета, выраженное в угловых секундах в год.
На рисунке изображен вид из северного полюса Галактики.
К условию задачи 6
Решение
Показать решение
Решение. Перейдем в систему отсчета одной из звезд. Поскольку нас спрашивают про звезду со звезды , то для решения задачи разумно перейти в систему отсчета .
В этой системе отсчета найдем вектор относительной скорости звезды . Для этого к концу вектора приложим вектор . Длина получившегося вектора равна (2 балла), то есть за 10 000 лет звезда преодолела пк. Тогда относительная скорость равна (2+2 балла)
Рис. 7: Определение относительной скорости и минимального расстояния
Тем самым мы получили ответ на третий вопрос задачи.
Обратим внимание, что звезда 1 сейчас удаляется от 2. Значит, пролет на минимальном расстоянии был в прошлом (1 балл). Нарисуем штриховой линией путь звезды 1 в нашей системе отсчета. Перпендикуляр к этой штрихованной линии будет являться как раз минимальным расстоянием. Из чертежа видно, что минимальное расстояние составляет min = √ 2 = 1.4 пк (2 балла). А время, когда было это событие, равно (3 балла)
Альтернативный вариант решения может быть следующим. Участник может составить уравнение движения каждой из звезд, найти зависимость расстояния от времени и искать время (при помощи производной или иным способом), при котором расстояние становится минимальным.
На этом заканчивается первая часть задачи, и мы переходим к более астрономическому четвертому вопросу. Трансверсальная (часто говорят тангенциальная) скорость звезды может быть вычислена с помощью формулы (1 балл)
где численный коэффициент 4.74 получается от деления значения одной астрономической единицы на число секунд в году, – собственное движение звезды (или угловая скорость), которое астрономы измеряют в угловых секундах в год.
Сначала рассмотрим момент, когда звезда находилась на минимальном расстоянии. В этом случае относительная скорость равна трансверсальной (1 балл), а лучевая скорость равна
нулю. Расстояние равно минимальному расстоянию пк. Подставив значения в формулу (28), получим (1 балл)
Теперь перейдем к начальному моменту времени. Для этого случая рассмотрим два различных подхода, чтобы показать возможные решения участников.
Вариант 1. В лоб.
Обозначим угол между вектором и лучом зрения как . Тогда искомая тангенциальная скорость равна (2 балла). Обозначим положение звезды на минимальном расстоянии от звезды как . Треугольник прямоугольный, а угол при вершине равен . Длины обоих катетов этого треугольника мы нашли ранее. Тогда расстояние между звездами — гипотенузу треугольника — можно найти из теоремы Пифагора: пк (2 балла). К такому же ответу мы придем, если построим прямоугольный треугольник с гипотенузой и катетами, проведенными по линиям сетки на рисунке: . Тогда .
Рис. 8: Определение трансверсальной скорости
Подставим полученные значения в формулу для собственного движения (1 балл):
Вариант 2. С использованием прицельного параметра
Минимальное расстояние иногда называют прицельным параметром. Как мы уже показали в первом варианте, можно записать:
Отсюда, исключая sin , получаем
Тогда
Подставляя в формулу (28) и учитывая выражение (29), получим
Критерии
Показать критерии
| Критерии оценивания. | 20 | |
|---|---|---|
| После каждого критерия указывается подробная детализация для оценивания в слу чае неправильного ответа на вопрос. Неявное выполнение подпунктов засчитыва ется, если в итоге ответ на финальный вопрос правильный. | ||
| К1. | Определение минимального расстояния4 Построение вектора относительной скорости 2 Верный численный ответ в парсеках 2 | |
| Если верный ответ дан не в парсеках, то вместо 2-х баллов ставится только 1 Этот пункт ставится только за верный ответ. В случае получения неверного ответа крите рий 1 не оценивается, а все последующие пункты оцениваются в зависимости от численных | ||
| К2. | значений в решении участника. Определение времени, когда было минимальное расстояние между звездами Утверждение, что это было в прошлом1 | 4 |
| К3. | ∆𝑡 500 Определение величины c точностью до лет 3 Определение относительной скорости Построение вектора относительной скорости в терминах условия задачи оценивается в пер | 4 |
| вом критерии Определение относительной скорости в терминах условия задачи (пк/год)2 Верный численный ответ в км/с 2 | ||
| К4. | Определение собственных движений Запись формулы для собственного движения 1 Определение трансверсальной скорости для наименьшего расстояния 1 Определение трансверсальной скорости в начальный момент2 Определение взаимного расстояния в начальный момент 2 Определение собственного движения для наименьшего расстояния1 Определение собственного движения в начальный момент1 | 8 |