Cefeidy
Źródło: Matura fizyka rozszerzona 5.2 — Matura maj 2009, stara formuła, poziom rozszerzony, zad. 5
Cefeidy okresowo zmieniają jasność, rozmiary i temperaturę; służą do wyznaczania odległości. 𝛿 Cephei: rozmiary kilkadziesiąt razy większe od Słońca, temperatura od 6800 K do 5500 K, średnia moc ok. 2000 razy większa od Słońca (𝑃𝑆 = 3,82 ⋅ 1026 W).
Podpunkt 5.1
Na diagramie H-R obszary: I – lewy dół (gorące, słabe), II – ciąg główny, III – nad ciągiem głównym, w zakresie temperatur ok. 5000–7000 K (olbrzymy), IV – prawy górny róg. W którym obszarze jest 𝛿 Cephei? Jak nazywają się gwiazdy z obszaru I? (0–2 pkt)
Podpunkt 5.2
Moce gwiazd ciągu głównego na diagramie mieszczą się w przedziale od 10−4 do 106 mocy Słońca. Oszacuj ten przedział w watach. (0–2 pkt)
Podpunkt 5.3
Z wykresu jasności (kolejne maksima przy ok. 0,5 i 6 dniu) oszacuj okres cefeidy. (0–1 pkt)
Podpunkt 5.4
Dlaczego 𝛿 Cephei emituje znacznie więcej energii niż Słońce mimo podobnej temperatury? (0–1 pkt)
Podpunkt 5.5
Z wykresu zależności moc–okres: cefeida o okresie 10 dni ma moc ok. 4000 mocy Słońca. Oblicz jej moc. (0–2 pkt)
Podpunkt 5.6
Średnia moc cefeidy 12,56 ⋅ 1028 W, strumień energii przy Ziemi 10−12 W/m2, Φ = 𝑃 4𝜋𝑟2 . Oblicz odległość. (0–2 pkt)
Podpunkt 5.7
Wyraź 1017 km w latach świetlnych. (0–2 pkt)
Odpowiedź
Podpunkt 5.1
Cefeidy: obszar III; białe karły: obszar I.
Podpunkt 5.2
Moc minimalna około 4·10²² W, maksymalna około 4·10³² W.
Podpunkt 5.3
Okres: około 5,5 dnia.
Podpunkt 5.4
Cefeida ma większą powierzchnię przy podobnej temperaturze, więc emituje większą moc.
Podpunkt 5.5
Moc: około 1,5·10³⁰ W.
Podpunkt 5.6
Odległość: 10²⁰ m.
Podpunkt 5.7
Około 10 000 lat świetlnych.
Rozwiązanie
Podpunkt 5.1
Obszar III (olbrzymy/nadolbrzymy żółte); obszar I – białe karły.
Podpunkt 5.2
𝑃min ≈ 10−4 ⋅ 3,82 ⋅ 1026 ≈ 4 ⋅ 1022 W, 𝑃max ≈ 106 ⋅ 3,82 ⋅ 1026 ≈ 4 ⋅ 1032 W.
Podpunkt 5.3
𝑇 ≈ 5,5 dnia.
Podpunkt 5.4
Moc 𝑃 = 𝜎𝑇 4 ⋅ 4𝜋𝑅2 – przy podobnej temperaturze decyduje powierzchnia, a promień cefeidy jest kilkadziesiąt razy większy (powierzchnia tysiące razy większa).
Podpunkt 5.5
𝑃 ≈ 4000 ⋅ 3,82 ⋅ 1026 ≈ 1,5 ⋅ 1030 W.
Podpunkt 5.6
𝑟 = √ 𝑃 4𝜋Φ = √ 12,56⋅1028 12,56⋅10−12 = 1020 m.
Podpunkt 5.7
1 rok wietlny = 3 ⋅ 108 ⋅ 3,15 ⋅ 107 ≈ 9,5 ⋅ 1015 m; 1020 m 9,5⋅1015 m ≈ 1,06 ⋅ 104 – ok. 10 000 lat świetlnych.