Section A:

(Half of the total marks are allocated to this section)

Give short answers to ALL questions in this section

or years. How was this motion explained in geocentric models of the Solar System?                 [5]

optical waveband.  Explain why the spectrum shows this characteristic form and what

this tells us about the properties of the Sun. What determines the location at which the

spectrum peaks, and why?                                                                                                            [5]

A.3  List five reasons why Earth’s atmosphere is important for life on Earth.                                    [5]

one to determine the mass of the planet exactly.                                                                         [5]

inner Solar System objects of the same mass?   What is the key qualitative difference

between volcanism in the inner and outer Solar System?                                                             [5]

fusion has ceased in the core of this object?                                                                                 [5]

A.7  Sketch the rotation curve of a typical spiral galaxy and highlight the main features.

Referring to the orbital velocity law, explain why the shape of this curve implies the presence of dark matter.

A.8  What is meant by the ‘star-gas cycle’? Briefly discuss two ways in which stars influence             the ambient interstellar gas in galaxies.                                                                                        [5]

from the merger of spirals.                                                                                                            [5]

Section B:

(Half of the total marks are allocated to this section)

Answer THREE questions from this section

B.1  What is the overall nuclear fusion process which produces energy in the core of the Sun?

Summarise (without details of nuclear reactions) the fundamental difference between how this energy is produced in the Sun and how it is produced in a star ten times more massive

than the Sun.

Calculate the length of time that it would take a photon of light to travel in a straight line from the centre of the Sun to the Sun’s surface. Explain why the energy produced in the core of the Sun takes far longer than this to escape the Sun. Describe briefly the two principal processes by which energy is transported in stars.

The mass of the hydrogen nucleus is mH  = 1.6726 X 10 −27 kg, and the mass of the Helium nucleus is mHe  = 6.6464 X 10 −27  kg.  Calculate the mass of hydrogen that must be used up each second in order to power the luminosity of the Sun (3.9 X 1026W). Given that around 10% of the mass of the Sun will eventually get used up in fusion, estimate the lifetime of the Sun.

B.2  Explain why the Earth’s oceans display approximately two high tides and two low tides

each day. Why is one of the high tides higher than the other?

Why is the time of the high tide different each day? Why does the height of the high tide change from day to day?

What changes in the Earth-Moon system occur on billion-year timescales due to the gravitational interactions between the Earth and Moon, and why?

What are Solar and Lunar eclipses, and why are these not observed every month?

What phase would you expect the moon to have: (a) during a Solar eclipse; (b) during a Lunar eclipse; (c) if observed high in the sky in the early evening?

B.3  Draw a schematic Hertzsprung-Russell (H-R) diagram and place the stars with the fol-

lowing spectral types on it:  main sequence A0, main sequence G2, supergiant B0, and giant M2. Label the main sequence and the giant branch.

The Sun will have a main sequence lifetime of 10 billion years and has a mass of MSun and a luminosity of LSun .

A 10 MSun  star has a luminosity of 10000 LSun . What will its main sequence lifetime be? A 0.3 MSun  star has a luminosity of 0.01 LSun . What will its main sequence lifetime be?

You observe two stellar clusters.  One has several high mass stars on the main sequence, while the other is only composed of M stars. Which cluster is older? How do you know?

B.4  Which has better photon-collecting power:  the 8m Gemini telescope or the 2m Hubble

Space telescope? Why?

What places the absolute theoretical limit on the angular resolution of telescopes?  In practice, what limits the angular resolution for ground-based telescopes at optical wave- lengths?  Which has better angular resolution at optical wavelengths:  the 8m Gemini telescope or the 2m Hubble Space telescope?

In the near-infrared the Gemini telescope has an adaptive optics system that can be used to  “remove” the atmosphere, in order to get closer to the absolute theoretical limit on telescope resolution. Describe how such a system works.

You want to resolve a brown dwarf binary with an apparent separation on the sky of 0.1 arcseconds.  Since brown dwarfs are faint in the optical, you need to observe in the near-infrared, at 1.6 µm. Should you use the Gemini or Hubble telescope to do so? Justify your choice.

B.5  State four properties that distinguish active galaxies from normal galaxies.

Explain how the variation in the luminosity of a quasar can be used to constrain the size of its line-emitting region. If a quasar is observed to increase its luminosity over a period of 16 hours, calculate a limit on the size of the line-emitting source in AU.

A quasar is observed to have a luminosity of L = 1042  W (1 W = 1 J/s). Assuming that 10% of the rest-mass energy of the infalling material is radiated as energy, calculate the rate at which matter is being accreted onto the central supermassive black hole. Express your answer in solar masses per year.