International Olympiad on Astronomy and Astrophysics

Anforderungen

Allgemeine Hinweise

  1. Umfangreiche Kenntnisse zu grundlegenden astronomischen Konzepten werden sowohl in den theoretischen als auch in den praktischen Prüfungen vorausgesetzt.
  2. Grundlegende Konzepte aus der Physik und Mathematik auf Oberstufenniveau werden zum Lösen der Probleme benötigt. Gängige Lösungen sollten ohne Methoden der Differenzialrechnung und / oder die Verwendung komplexer Zahlen und / oder das Lösen von Differenzialgleichungen auskommen
  3. Astronomische Software-Pakete dürfen in praktischen Klausuren oder Beobachtungsklausuren verwendet werden. Die Teilnehmer werden in diesem Fall über die Liste der Software-Pakete mindestens drei Monate im Voraus informiert. Die ausgewählte Software sollte möglichst Freeware oder günstige Ware sein, die in allen Ländern verfügbar und einfach zum Üben zugänglich sein sollte. Außerdem sollte die gewählte Software auf verschiedenen Plattformen laufen (Windows, Unix, GNU-Linux, Mac OS).
  4. Konzepte und Phänomene, die nicht in diesem Syllabus enthalten sind, können trotzdem in Aufgaben verwendet werden, sofern ausreichend Informationen in den Fragen gegeben sind, soadass die Teilnehmer ohne Vorwissen zu diesem Thema keinen Nachteil haben.
  5. Komplizierte praktische Ausrüstungen, die den Teilnehmern wahrscheinlich unbekannt sind, sollten in den Aufgaben nicht dominieren. Wenn solche Gerätschaften verwendet werden, müssen ausreichend Informationen bereitgestellt werden. In einem solchen Fall sollte den Schülern Zeit gegeben werden, sich mit dem Equipment vertraut zu machen.
  6. Der Originaltexte der Probleme müssen in SI-Einheiten gestellt werden, sofern dies sinnvoll ist. Von den Teilnehmern wird erwartet, ihre Antwort in sinnvollen Einheiten anzugeben. Sie sollten vertraut mit der Idee korrekten Rundens sein und ihre finale(n) Antwort(en) und Fehler mit der korrekten Anzahl an Stellen angeben.

Theoretischer Teil

Der Buchstabe (Q) ist an einige der Themen angefügt. Er bedeutet "ausschließlich qualitatives Verständnis". Quantitative Betrachtungen werden bei diesen Themen nicht vorausgesetzt.
Die folgenden theoretischen Inhalte werden von den Teilnehmern abverlangt.

Grundlagen der Astrophysik

Himmelsmechanik: Newtons Gravitationsgesetz, Keplersche Gesetze für kreisförmige und nicht-kreisförmige Bahnkurven, Roche-Grenze, Baryzentrum, Zweikörperproblem, Lagrangepunkte
Elektromagnetismus und Quantentheorie: Elektromagnetisches Spektrum, Strahlungsgesetze, Schwarzkörperstrahlung
Thermodynamik: Thermodynamisches Gleichgewicht, ideales Gas, Energieübertragung
Spektroskopie und Atomphysik: Absorption, Emission, Streuung, Spektren von Himmelskörpern, Doppler-Effekt, Linienspektren, kontinuierliche Spektren, Aufweiten und Teilen von Spektrallinien, Polarisation
Kernphysik: Grundlegende Konzepte bezüglich der Struktur des Atoms, Massendefekt und Bindungsenergie, Radioaktivität, Neutrinos (Q)

Koordinaten und Zeit

Himmelskugel: Sphärische Trigonometrie, Himmelskoordinaten und ihre Anwendung, Tag- und Nachtgleiche, Zirkumpolarsterne, Sternbilder und Tierkreiszeichen
Konzept der Zeit: Sonnenzeit, Sternzeit, Julianisches Datum, Heliozentrisches Julianisches Datum, Zeitzonen, Weltzeit, Ortszeit, unterschiedliche Definitionen des Jahres, Gleichungen der Zeit

Sonnensystem

Die Sonne: Sonnenstrukturen, Oberflächenaktivitäten, Rotation, Sonnenstrahlung und Solarkonstante, solare Neutrinos (Q), Sonnen-Erde-Beziehung, Rolle von Magnetfeldern (Q), Sonnenwind und Strahlungsdruck, Heliosphäre (Q), Magnetosphäre (Q)
Sonnensystem: Erde-Mond-System, Präzession, Nutation, Libration, Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems (Q), Strukturen und Komponenten des Sonnensystems (Q), Struktur und Bahnkurven von Objekten des Sonnensystems, siderische und synodische Perioden, retrograde Bewegung, äußere Bereiche des Sonnensystems (Q)
Raumfahrt: Satelliten-Trajektorien und Transfers, menschliche Erkundung des Sonnensystems (Q), Planetenmissionen (Q), Sling-Shot-Effekt der Gravitation (Swing-by-Manöver), Instrumente im Weltall
Phänomene: Gezeiten, Jahreszeiten, Finsternisse, Polarlichter (Q), Meteor-Schauer

Sterne

Eigenschaften von Sternen: Methoden der Entfernungsbestimmung, Strahlung, Leuchtkraft und Helligkeit, Farbindizes und Temperatur, Bestimmung von Massen und Radien, Sternbewegung, irreguläre und reguläre stellare Veränderungen - Klassifikation und Eigenschaften, Cepheiden und Perioden-Leuchtkraft-Relation, Physik der Pulsation (Q)
Sterneninneres und Atmosphäre: stellares Gleichgewicht, stellare Kernfusion, Energietransport (Q), Randbedingungen, Sternatmosphäre und atmosphärische Spektren
Sternentwicklung: Sternentstehung, Hertzsprung-Russel-Diagramm, Prä-Hauptreihe, Hauptreihe, Post-Hauptreihensterne, Supernovae, planetarische Nebel, Endstadien von Sternen

Sternsysteme

Doppelsternsysteme: unterschiedliche Typen von Doppelsternen, Massenbestimmung in Doppelsternsystemen, Licht- und Radialgeschwindigkeits-Kurven von bedeckungsveränderlichen Doppelsternen, Doppler-Verschiebung bei Doppelsternen, wechselwirkende Doppelsterne, spezielle Doppelsternsysteme
Exoplaneten: Techniken zur Detektion von Exoplaneten
Sternhaufen: Klassifikation und Struktur, Masse, Alter, Leuchtkraft und Entfernungsbestimmung
Milchstraße: Struktur und Zusammensetzung, Rotation, Satelliten der Milchstraße (Q)
Interstellares Medium: Gas (Q), Staub (Q), HII-Regionen, 21cm-Strahlung, Nebulae (Q), interstellare Absorption, Dispersionsmessung, Faraday-Rotation
Galaxien: Klassifikation anhand der Struktur, Zusammensetzung und Aktivität, Masse, Leuchtkraft und Entfernungsbestimmung, Rotationskurve
Akkretionsprozesse: Grundlegende Konzepte (sphärische und Scheibenakkretion) (Q), Eddington-Leuchtkraft

Kosmologie

Elementare Kosmologie: Ausdehnung des Universums, Hubble-Gesetz, Galaxienhaufen, Dunkle Materie, Dunkle Energie (Q), Gravitationslinsen, Kosmische Hintergrundstrahlung, Urknall (Q), Alternative Modelle des Universums (Q), Strukturen auf großen Skalen (Q), Entfernungsmessung auf kosmologischen Skalen, kosmologische Rotverschiebung

Instrumente und Technologien

Multi-Wellenlängen-Astronomie: Beobachtung in Radio-, Mikrowellen-, Infrarot-, sichtbaren, ultravioletten, Röntgen und Gamma-Wellenlängenbändern, atmosphärische Effekte der Erde
Instrumente: Teleskope und Detektoren (z.B. CCD, Photometer, Spektrograph), Vergrößerung, Brennweite, Blendenzahl, Auflösungs- und Lichtsammelvermögen von Teleskopen, geometrische Modelle von Zwei-Elemente-Interferometern, Apperatur-Synthese, Adaptive Optik, Photometrie, Astrometrie

Praktischer Teil

Dieser Teil besteht aus zwei Bereichen: Beobachtung und Datenanalyse. Der theoretische Teil des Syllabus bildet die Grundlage für alle Probleme des praktischen Teils.

Der Beobachtungsteil fokussiert sich auf die Erfahrungen der Teilnehmer in der

  1. Beobachtung mit bloßem Auge
  2. Verwendung von Sternkarten und Sternkatalogen
  3. Anwendung der Koordinatensysteme am Himmel, Abschätzen von Helligkeiten, Abschätzung von Winkelabständen
  4. Verwendung grundlegender astronomischer Instrumente (Teleskope und verschiedene Detektoren zur Beobachtung, allerdings müssen ausreichende Anleitung zur Verfügung gestellt werden). Beobachtungsobjekte können von realen Quellen am Himmel oder nachgemachten Quellen im Labor stammen. Computersimulationen können verwendet werden, bedürfen aber ebenfalls ausreichender Anleitungen für die Teilnehmer.

Der Datenanalyse-Bereich zielt auf die Berechnung und Analyse astronomischer Daten ab, die in den Aufgaben bereitgestellt werden. Zusätzliche Anforderungen sind die folgenden:

  1. Angemessene Identifikation von Fehlerquellen, Berechnung von Fehlern, und Abschätzung ihres Einflusses auf das finale Ergebnis.
  2. Angemessene Nutzung von Graphen-Papiere mit unterschiedlichen Skalen, z.B. polare oder logarithmische Papiere. Transformation der Daten, um einen linearen Zusammenhang zu erhalten und Finden einer Ausgleichsgeraden.
  3. einfache statistische Analyse der Beobachtungdaten.
  4. Wissen über die gängigen Experimentiertechniken zur Messung physikalischer Größen, die in Teil A genannt wurden.