Eksamen i AST1010 den kosmiske reisen, 4 mai Oppgavesett med fasit.

Like dokumenter
UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgaver med fasit for AST1010 våren 2004

Eksamen AST1010 oppgaver med fasit

FASIT UNIVERSITETET I OSLO. Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Eksamen AST november 2007 Oppgaver med fasit

1. Hvordan definerer vi lengdeenheten parsek (parsec)? Hvilke avstander måles vanligvis i parsek eller megaparsek (Mpc - millioner parsek)?

AST1010 En kosmisk reise Forelesning 15: Hvite dverger og supernovaer

Eksamensoppgaver AST1010 våren 2008 med forslag til fasitsvar.

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 21: Oppsummering

Supernovaer. Øyvind Grøn. Trondheim Astronomiske Forening 16. april 2015

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 13: Innledende stoff om stjerner: Avstander, størrelsesklasser, HRdiagrammet

UNIVERSITETET I OSLO

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 16: Hvite dverger, supernovaer og nøytronstjerner

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 12: Melkeveien

AST1010 våren 2010 Oppgaver med fasit

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 15: Hvite dverger og supernovaer

EksameniASTlolo 13 mai2

Romfart - verdensrommet januar 2007 Kjartan Olafsson

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 19: Kosmologi, del I

AST1010 En kosmisk reise

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

AST1010 den kosmiske reisen 15 november Hva forstår vi med jordaksens presesjon og hva forårsaker presesjonen?

Innhold. AST1010 En kosmisk reise. Melkeveien sed fra jorda 10/19/15. Forelesning 17: Melkeveien

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 17: Melkeveien

Fasit for AST1010 høsten 2004.

AST1010 En kosmisk reise. Innhold. Stjerners avstand og lysstyrke 01/03/16

UNIVERSITETET I OSLO

Planetene. Neptun Uranus Saturn Jupiter Mars Jorda Venus Merkur

AST1010 En kosmisk reise

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

FASIT Svarene trenger ikke være like utdypende som her. Side 1 UNIVERSITETET I OSLO

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 12: Dannelsen av solsystemet

AST1010 En kosmisk reise. Innhold. Stjerners avstand og lysstyrke 9/27/15

AST1010 En kosmisk reise. Astronomiske avstander v=vsl-jncjak0. Forelesning 20: Kosmologi, del I

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 12: Dannelsen av solsystemet

10/23/14. AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 17: Melkeveien. Innhold. Melkeveiens struktur Det sorte hullet i sentrum av Melkeveien Mørk materie

Oppgaver, Fasit og Sensurveiledning

Oppgaver med fasit våren Hva er månefaser? Hvorfor har vi månefaser?

UNIVERSITETET I OSLO

AST1010 den kosmiske reisen: Torsdag 23 april 2009

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 19: Kosmologi

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 13: Sola

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 den kosmiske reisen: Onsdag 19 november 2008

AST1010 En kosmisk reise. I dag 2/16/2017. Forelesning 11: Dannelsen av solsystemet. Planetene i grove trekk Kollapsteorien Litt om eksoplaneter

Det matetmatisk-naturvitenskapelige fakultet Midtveis -eksamen i AST1100, 10 oktober 2007, Oppgavesettet er på 6 sider

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 9: De store gassplanetene og noen av deres måner

Melkeveien sett fra jorda

AST1010 En kosmisk reise. Innhold 28/02/16. Forelesning 12: Dannelsen av solsystemet

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 14: En første 23 på stjernene

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 15: Hvite dverger, nøytronstjerner og sorte hull

AST1010 En kosmisk reise Forelesning 13: Sola

AST1010 En kosmisk reise. Innhold. Jupiter 9/15/15. Forelesning 9: De store gassplanetene og noen av deres måner

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 7: Dannelsen av solsystemet

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 9: Solen De store gassplanetene og noen av deres måner

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 13: Innledende stoff om stjerner: Avstander, størrelsesklasser, HRdiagrammet

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 18: Eksoplaneter og jakten på liv

Eksamen AST1010 oppgaver med fasit

Observasjon av universet ved ulike bølgelengder fra radiobølger til gammastråling. Terje Bjerkgård og Erlend Rønnekleiv

AST1010 En kosmisk reise. I dag. Astronomiske avstander 2/24/2017

UNIVERSITETET I OSLO

Fasit og Sensurveiledning for AST101 Våren 2003.

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 17: Sorte hull og galakser

ESERO AKTIVITET Grunnskole

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 20: Kosmologi, del 2

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise. Innledende stoff om stjerner: Avstander, størrelsesklasser, HR-diagrammet

2/12/2017. AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: Jupiter. Forelesning 9: De store gassplanetene og noen av deres måner

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 7: De indre planetene og månen del 1: Merkur og Venus

AST1010 En kosmisk reise

Hvor kommer magnetarstråling fra?

AST1010 En kosmisk reise

Stjernens livssyklus mandag 2. februar

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 7: De indre planetene og månen del 2: Jorden, månen og Mars

AST1010 En kosmisk reise. Innhold 9/27/15. Forelesning 12: Dannelsen av solsystemet

Svarte hull kaster lys over galaksedannelse

Historien om universets tilblivelse

2/7/2017. AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: IAUs definisjon av en planet i solsystemet (2006)

AST1010 En kosmisk reise. Innhold. Stjernedød i to varianter 10/13/15. Forelesning 15: Hvite dverger, nøytronstjerner og sorte hull

1 Leksjon 8 - Kjerneenergi på Jorda, i Sola og i stjernene

ESERO AKTIVITET Grunnskole og vgs

AST1010 En kosmisk reise. Andromeda. Avstand: 2.55 millioner lysår. Hubbles klassifikasjon av galakser 3/20/2017

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 8: De indre planetene og månen del 2: Jorden, månen og Mars

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 18: Galakser og galaksehoper

En reise i solsystemet trinn minutter

Løsning, eksamen FY2450 Astrofysikk Onsdag 20. mai 2009

AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: Elektromagnetisk bølge 1/23/2017. Forelesning 4: Elektromagnetisk stråling

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise. Innhold 10/19/15. Forelesning 18: Galakser og galaksehoper

AST1010 En kosmisk reise

Galakser, stjernehoper og avstander i universet

Transkript:

Eksamen i AST1010 den kosmiske reisen, 4 mai 2006. Oppgavesett med fasit. 1. Enheter for avstander i universet: Hva forstår vi med en astronomisk enhet og hvordan defineres en parsec? Hvilke avstander er det vi måler eller angir i henholdsvis astronomiske enheter og parsec? Svar: En astronomisk enhet (1 AU) er middelavstanden mellom sola og jorda, omlag 150 million kilometer. Den brukes til å angi avstander innenfor solsystemet. En parsec er avstanden hvor to objekter som ligger en astronomisk enhet fra hverandre ser ut til å ligge ett buesekund fra hverandre. Den svarer til omlag 3.26 lysår eller 206265 AU. Avstanden til stjerner og galakser angis i parsec eller i Megaparsec for avstanden til galaksene. 2. I løpet av året ser vi at planetene som ligger lenger borte fra sola enn jorda, synes å gå fra vest mot øst i sine baner mellom stjernene. Men omtrent med ett års mellomrom stopper de opp og går i motsatt retning i 1-2 måneder. Hvordan forklarer vi denne retrograde bevegelsen? Tegn gjerne en skisse. Figur 1. Retrograd bevegelse for Mars høsten 1991. Vi ser den retrograde løkken som planeten går i mellom 1. august og 1. oktober. 1

Svar: Grunnen til at planeter med bane lengre ute i solsystemet enn jorda av og til får en retrograd bevegelse over himmelkula, er at deres omløpstid rundt sola er lengre enn jordas. Dette skyldes både at de har lengre vei å gå, og at hastigheten i banen er lavere jo lengre man kommer bort fra sola. Det vi ser som retrograd bevegelse er egentlig bare jorda som tar igjen og går forbi den ytre planeten. Det ser da ut som om den ytre planeten stopper opp og går baklengs en stund, men dette er en projeksjonseffekt, se figur 2. Figur 2. Retrograd bevegelse for Mars som projeksjonen av planetens bevegelse på himmelen sett fra jorda i det jorda passerer Mars i innersvingen. 3. Hvorfor består planetene nærmest sola, Merkur, Venus, jorda og Mars for det meste av steinmineraler og jern, mens vi har forholdsvis mye mindre av slike grunnstoffer i planeter og måner lenger borte fra sola? Svar: Da solsystemet ble dannet var det bare stoffer som ikke kondensere før ved svært høye temperaturer som kondensere så nær protosola. De kondenserte stoffene dannet partikler som ble 2

værende i området, mens de lett fordampelige stoffene forble i gassform og ble blåst lenger ut i solsystemet av solar partikkelvind og lystrykk fra sola i form av fotoner som støter med atomene. Disse gassene omfattet især hydrogen og helium som aldri kondenserer i verdensrommet, men også vann som kondenserer og fryser mellom 270 K og 370 K. Vann hydrogen og helium samlet seg dermed i de ytre deler av solsystemet. 4. Hvordan forklarer vi at månen har 30000 kratre etter meteornedslag med diameter større enn 1 kilometer mens jorda har høyst et par hundre kratre som er så store, selv om jordoverflata er 16 ganger større enn månens overflate? Svar: Jordskorpa fornyer seg hele tiden gjennom platetektonikk. Gammel skorpe forsvinner ned i mantelen etter noen få hundre millioner år og gamle kratre blir borte. Månen har ikke platetektonikk og skorpa fornyes ikke. Den er stort sett 3-4.5 milliarder år gammel. Når man så husker at det tyngste bombardementet av meteorer/asteroider skjedde for mer enn 3.5 milliarder år siden er årsaken klar. (Tilleggsmomenter kunne være erosjon på bakken og oppbremsing og knusing av mindre meteorer i jordatmosfæren, men disse er langt mindre avgjørende og kan lett tas høyde for.) 5. Beskriv kort forholdene og lagdelingen i det indre av Jupiter og Saturn. (Disse to planetene kan betraktes som like for vårt formål.) Svar: Helt innerst har Jupiter og Saturn kjerner av is og stein på 10 jordmasser. I Jupiter kan trykket være så høyt at noe av denne kjernen er flytende. Utenfor kjernen er det lag av flytende metallisk hydrogen som leder strøm godt. Hydrogenet er metallisk på grunn av det høye trykket, mer enn 3 millioner atmosfærer. Utenfor dette laget har vi vanlig flytende molekylært hydrogen og helt ytterst en atmosfære av gass, vesentlig hydrogen og helium. Helium er i gassform alle steder utenfor kjernen, men kan opptre som væske dypt i det indre av Saturn, såkalt heliumregn. 3

6. Den indre strukturen i Uranus og Neptun er noe forskjellig fra strukturen i Jupiter og Saturn. Hva går forskjellene ut på? Svar: Uranus og Neptun har kjerner av stein og is, men ikke noe lag av flytende metallisk hydrogen; trykket er ikke høyt nok. Derimot har Uranus og Neptun store mengder komprimert vann i det indre. Vann utgjør kanskje 40 prosent av massen. Lenger ute har vi flytende molekylært hydrogen og ytterst en atmosfære, vesentlig av hydrogen og helium. Helium er alle steder i gassfase. Kjernene av stein og is er forholdsvis større enn i Jupiter og Saturn. 7. Lagene i og over solas overflate har navn som kromosfære, transisjonslag, fotosfære og korona. De representerer en lagdeling i solatmosfæren. Hvordan ligger lagene i forhold til hverandre i høyde i solatmosfæren? Hva er den omtrentlige temperaturen i de ulike lagene? Tegn gjerne en figur som viser temperaturens gang med høyden og merk av hvor vi finner de ulike lagene. Svar: Fotosfæren er det nederste laget og det vi ser som solens overflate. Midlere (effektiv) temperatur er omlag 5700 K. Over fotosfæren ligger kromosfæren med temperatur ca. 8000 K og tykkelse omlag 1000-1500 km. I transisjonslaget stiger temperaturen raskt og ender etter noen titalls kilometer på 1,000,000 K i koronaen (Ref.: Figur 10-6.) 8. Hvordan måler vi massen til stjerner? (Hint: husk Kepler 3 dje lov i Newtons utforming.) Svar: Massen til stjerner kan måles ved hjelp av Keplers 3dje lov i Newtons utforming A 3 /P 2 = M 1 + M 2 Hvor M 1 og M 2, A er middelavstanden mellom stjernene og P omløpsperioden for systemet. P er grei å måle. A får vi fra vinkelavstanden mellom stjernene og avstanden til dem. Da utleder vi summen av massene. A, P og M er angitt i hhv. AU, år og solmasser. Kan vi måle avstanden av begge stjernene fra 4

tyngdepunktet til systemet så finner vi forholdet mellom massene og dermed massen til hver av stjernene fra tyngdepunktssatsen, M 1 a 1 = M 2 a 2. 9. Hva er en planetarisk tåke? Svar: Planetariske tåker er skyer av gass som stjerner med opprinnelig masse mellom 0.7 til 8.0 solmasser kaster av seg i episodiske utbrudd i sine siste livsfaser, på den asymptotiske kjempegrenen og senere. Reststjernen er en varm hvit dverg, T 10,000 K 100,000 K. Navnet planetarisk tåke har ingen ting med planeter å gjøre. 10. Stjerner med mer enn 11 solmasser i utgangspunktet, utvikler full skallbrenning i det indre i sin avsluttende livsfase før de eksploderer som supernovaer av type II. Forklar kort uten mange detaljer hva full skallbrenning består av. Hvordan utløses supernova eksplosjonen som avslutter stjernens liv? Svar: Massive stjerner får høy nok temperatur i kjernen til å fusjonere tyngre elementer etter først å ha fusjonert hydrogen til helium og videre helium til karbon og oksygen. Alle grunnstoffer opp til og med jern dannes ved fusjon i kjernen. Etter hvert dannes ulike skall av fusjonerende grunnstoffer rundt den innerste kjernen. Ytterst får vi et hydrogenfusjonerende skall, innenfor kommer et helium brennende skall, så et karbonfusjonerende skall, osv. Innerst ved kjernen fusjonerer silisium til jern som faller ned på kjernen. Supernovaeksplosjonen utløses når jernkjernen overstiger Chandrasekhar massen 1.35 solmasser. Da greier ikke trykket i kjernen å holde oppe vekten av massen og kjernen faller sammen i sitt gravitasjonsfelt. Nøytrinoer dannes i store mengder, strømmer utover, kolliderer med den innfallende massen og driver eksplosjonen. Energikilden er frigjort gravitasjonsenergi. 11. Hva er en pulsar? Svar: En pulsar er en raskt roterende nøytronstjerne hvor elektroner skyter ut fra de magnetiske polene med hastigheter nær lyshastigheten. De lager to smale strålebunter av lys som 5

sveiper over himmelrommet som strålene fra en fyrlykt idet den magnetiske aksen ikke faller sammen med rotasjonsaksen. Når den smale lysstrålen treffer jorda ser vi en strålingspuls. 12. Hvorfor tror vi at det finnes et sort hull med omlag 4 million solmasser i sentrum av Melkeveien? Svar: Observasjoner av stjerner meget nær senteret av Melkeveien viser at de går i ellipsebaner rundt et mørkt objekt med stor hastighet. Massen som holder dem fast i banen kan finnes fra Keplers 3 dje lov på Newtons form (se ovenfor). Før stjernene ble observert så man også at 21 cm linjen fra nøytralt hydrogen i dette området er svært bred, og dro samme slutning. 13. Gravitasjonslinsing (gravitational lensing): Lyset fra en kompakt, men sterk lyskilde langt borte, for eksempel en kvasar, kan bli avbøyd dersom det passerer nær en galakse eller galaksehop som ligger mellom oss og kvasaren. Vi får en avbildning av kvasaren i flere forskjellige retninger. Et eksempel er det så kalte Einsteinkorset, hvor lyset blir avbøyd av galaksen midt i korset og vi ser 4 bilder av samme kvasar. Hvorfor skjer denne avbøyningen? Hva forteller avbøyning om massen til galaksen i forgrunnen? Figur 2. Gravitasjonslinsing det så kalte Einsteinkorset. Vi får fire bilder av en kvasar langt borte. Galaksen som lager avbøyningen ser vi svakt i midten av korset. De to bildene er tatt med tre års mellomrom. 6

Svar: Avbøyningen skjer fordi massen av linsegalaksen, ifølge Einsteins generelle relativitetsteori, lager et krumt rom rundt galaksen, Lyset fra den fjerne kilden blir avbøyd i det krumme rommet og vi ser bilder av kilden i forskjellige retninger. (I et ideelt sentrert tilfelle får vi en ringformet avbildning.) Fra størrelsen av avbøyningen kan vi finne massen til linsegalaksen. 14. Avstandsstigen: Beskriv kort 2 av de ulike metodene til å måle avstander til stjerner og galakser. Figur 3. Avstandsstigen. Figuren angir flere forskjellige metoder for avstandsmåling og deres anvendelsesområder. Svar: Parallaksemåling er en enkel triangulering hvor retningen til en stjerne nær oss tilsynelatende endrer seg i forhold til stjerner langt borte som følge av jordas bevegelse rundt sola. (En figur er fin.) Spektroskopisk parallakse består i å bestemme stjernens spektralklasse, finne dens absolutte magnitude, M, fra Hertzsprung-Russell diagrammet, måle dens tilsynelatende magnitude, m, og beregne dens avstand, D, fra formelen for avstandsmodulen, m M = 5 log D -5. RR Lyrae stjerner og Cepheide stjerner er variable stjerner med en relasjon mellom perioden, P, og den absolutte lysstyrken, M. M finnes fra P, m måles og formelen for distansemodulen benyttes. Tully-Fisher metoden benytter en empirisk bestemt relasjon mellom bredden av 21 cm linjen fra nøytralt hydrogen fra galakser og galaksenes absolutte magnituder. Igjen brukes avstandsmodulen. 7

Supernovaer av type Ia har samme maksimale lysstyrke, M=- 19.9. Fra denne standard lysstyrken kan igjen avstanden finnes fra avstandsmodulen. (Ingen av metodene er å fremheve foran de andre.) 15. Hva er den kosmiske mikrobølgestrålingen (cosmic microwave radiation)? Hva forteller den om universets opprinnelse? Svar: Den kosmiske mikrobølgestrålingen er en bakgrunnsstråling med temperatur 2.73 K jevnt fordelt i alle retninger. Den er restene etter strålingen med temperatur ca. 3000 K, som fylte universet idet stråling og materie ble koblet fra hverandre idet hydrogenet ble nøytralt og universet dermed ble gjennomsiktig for stråling. Endringen i temperaturen kommer av at de opprinnelige bølgelengdene i strålingen er strukket ut fordi rommet utvider seg. Den kosmiske mikrobølgestrålingen er derfor en avgjørende indikasjon på at universet startet som en ildkule for 14 milliarder år siden. 16. Umiddelbart etter at universet ble til, mellom 10-35 sekund og 10-33 sekund etter Big Bang, utvidet det seg enormt, med en faktor 10 50. Denne raske utvidelsen kaller vi inflasjonsepoken. Hvordan forklarer inflasjonen at universet på en stor skala er homogent og isotropt? Svar: Den raske utvidelsen gjør at vi i dag bare ser en liten del av universet og at opprinnelige ujevnheter flates ut slik at det observerbare univers ser likt ut alle steder vi kan se og i alle retninger. De viktigste delene av hvert svar er skrevet med rød font. 8