tanulási célok
e szakasz végére képes lesz arra, hogy:
- magyarázza el, hogy egy csillaghalmaz H–R diagramja hogyan kapcsolódhat a klaszter korához és a csillagtagok fejlődési szakaszaihoz
- írja le, hogy a klaszter főszekvenciájának kikapcsolása hogyan mutatja meg korát
az előző részben jeleztük, hogy a nyílt klaszterek fiatalabbak, mint a globuláris klaszterek, az asszociációk pedig jellemzően még fiatalabbak. Ebben a részben megmutatjuk, hogyan határozzuk meg ezeknek a csillagcsoportoknak a korát. A legfontosabb megfigyelés az, hogy az ilyen típusú klaszterek csillagai a H–R diagram különböző helyein találhatók, és a diagramon található helyüket elméleti számításokkal kombinálva megbecsülhetjük, hogy mennyi ideig éltek.
fiatal klaszterek H–R diagramjai
mit jósol az elmélet egy olyan klaszter H–R diagramjára, amelynek csillagai nemrégiben csillagközi felhőből kondenzálódtak? Ne feledje, hogy az evolúció minden szakaszában a hatalmas csillagok gyorsabban fejlődnek, mint alacsonyabb tömegű társaik. Néhány millió év elteltével (a csillagászok számára” nemrégiben”) a legnagyobb tömegű csillagoknak be kellett fejezniük összehúzódási fázisukat, és a fő szekvencián kell lenniük, míg a kevésbé masszívaknak jobbra kell lenniük, még mindig a fő sorrend felé vezető úton. Ezeket az elképzeléseket az 1. ábra szemlélteti, amely az R. Kippenhahn és munkatársai által a Müncheni Egyetemen kiszámított H–R diagramot mutatja egy hipotetikus klaszterre, amelynek életkora 3 millió év.
ábra 1. Fiatal klaszter H-R Diagram: látunk egy H-R diagramot egy hipotetikus fiatal klaszter számára, amelynek életkora 3 millió év. Megjegyezzük, hogy a nagy tömegű (nagy fényességű) csillagok már megérkeztek életük fő szekvenciájának szakaszába, míg az alacsonyabb tömegű (alacsonyabb fényességű) csillagok még mindig összehúzódnak a nulla korú fő sorozat (a piros vonal) felé, és még nem elég forróak ahhoz, hogy teljes energiájukat a hidrogén fúziójából nyerjék.
vannak valódi csillaghalmazok, amelyek megfelelnek ennek a leírásnak. Az első, amelyet 1950 körül tanulmányoztak, az NGC 2264 volt, amely még mindig összefügg azzal a gáz-és porrégióval, amelyből született (2.ábra).
2. Ábra. NGC 2264 fiatal klaszter: Körülbelül 2600 fényévnyire található tőlünk, az újonnan kialakult csillagok ezen régiója, a karácsonyfa klaszter néven ismert, hidrogéngáz komplex keveréke (amelyet forró beágyazott csillagok ionizálnak és vörös színnel jelennek meg), sötét homályos porsávok és ragyogó fiatal csillagok. A képen körülbelül 30 fényévnyi jelenet látható. (forrás: ESO)
az NGC 2264 klaszter H-R diagramját a 3.ábra mutatja. Az Orion-köd közepén lévő klaszter (Csillagképződésben látható) hasonló evolúciós szakaszban van.
3.ábra. NGC 2264 H-R Diagram: hasonlítsa össze ezt a H-R diagramot az 1. ábrán láthatóval; bár a pontok itt kissé szétszóródnak, az elméleti és megfigyelési diagramok figyelemre méltóan és kielégítően hasonlóak.
ahogy a klaszterek öregszenek, H–R diagramjaik változni kezdenek. Rövid idő elteltével (kevesebb, mint egymillió évvel a fősorozat elérése után) a legnagyobb tömegű csillagok felhasználják a magjukban lévő hidrogént, és a fősorozatból vörös óriássá és szuperóriássá fejlődnek. Ahogy egyre több idő telik el, az alacsonyabb tömegű csillagok elkezdenek elhagyni a fő szekvenciát, és a H–R diagram jobb felső sarkában haladnak.
a 4.ábra az NGC 3293, egy körülbelül 10 millió éves klaszter fényképe. A sűrű gáz-és porfelhők eltűntek. Egy hatalmas csillag vörös óriássá fejlődött, és kiemelkedik a klaszter különösen élénk narancssárga tagjaként.
4.ábra. NGC 3293: az NGC 3293-hoz hasonló nyílt csillaghalmaz összes csillaga körülbelül ugyanabban az időben alakul ki. A legnagyobb tömegű csillagok azonban gyorsabban kimerítik nukleáris üzemanyagukat, és így gyorsabban fejlődnek, mint az alacsony tömegű csillagok. Ahogy a csillagok fejlődnek, vörösebbé válnak. Az NGC 3293 fényes narancssárga csillaga a leggyorsabban fejlődő klaszter tagja. (forrás: ESO / G. Beccari)
az 5. ábra az M41 nyílt halmaz H–R diagramját mutatja, amely nagyjából 100 millió éves; ekkorra már jelentős számú csillag elmozdult jobbra, és vörös óriássá vált. Figyeld meg a H–R diagramon látható rést a fő sorozathoz közeli csillagok és a vörös óriások között. A rés nem feltétlenül jelenti azt, hogy a csillagok elkerülnek bizonyos hőmérsékleti és fényességi tartományokat. Ebben az esetben egyszerűen a hőmérséklet és a fényesség tartományát képviseli, amelyen keresztül a csillagok nagyon gyorsan fejlődnek. Látunk egy rést az M41 számára, mert ebben a pillanatban még nem fogtunk csillagot a diagram ezen részén való áthaladás folyamatában.
5.ábra. M41 klaszter: (a) az M41 klaszter régebbi, mint az NGC 2264 (lásd), és több vörös óriást tartalmaz. Néhány masszívabb csillaga már nem áll közel a nulla korú fő szekvenciához (piros vonal). (b) Ez a földi fénykép az M41 nyílt klasztert mutatja. Ne feledje, hogy több narancssárga színű csillagot tartalmaz. Ezek olyan csillagok, amelyek központjaikban kimerítették a hidrogént, és vörös óriássá duzzadtak. (hitel b: a munka módosítása NOAO/AURA / NSF által)
a régebbi klaszterek H-R diagramjai
4 milliárd év elteltével sokkal több csillag, köztük a napnál csak néhányszor nagyobb tömegű csillagok, elhagyták a fő szekvenciát (6.ábra). Ez azt jelenti, hogy a fő szekvencia teteje közelében nem maradnak csillagok;csak az alsó rész közelében lévő kis tömegű csillagok maradnak. Minél régebbi a klaszter, annál alacsonyabb a fő szekvencia pontja (és annál kisebb a csillagok tömege), ahol a csillagok elkezdenek mozogni a vörös óriás régió felé. A H–R diagram helyét, ahol a csillagok elkezdték elhagyni a fő szekvenciát, fő szekvenciának nevezzük kikapcsolás.
ábra 6. H-R Diagram egy régebbi klaszterhez: egy hipotetikus idősebb klaszter H–R diagramját látjuk 4,24 milliárd éves korban. Vegye figyelembe, hogy a fő szekvencia felső részén lévő csillagok többsége a vörös-óriás régió felé fordult. És a halmaz legnagyobb tömegű csillagai már meghaltak, és már nem szerepelnek a diagramon.
az összes legrégebbi klaszter a gömbhalmazok. A 7. ábra a 47 Tucanae gömbhalmaz H–R diagramját mutatja. Vegye figyelembe, hogy a fényerő–és hőmérsékletskálák eltérnek az ebben a fejezetben szereplő többi H-R diagramtól. A 6. ábrán például a diagram bal oldalán található fényességi skála a nap fényességének 0,1-től 100 000-szereséig terjed. De a 7. ábrán a fényerő skála jelentősen csökkent. Ebben a régi klaszterben annyi csillagnak volt ideje kikapcsolni a fő szekvenciát, hogy csak a fő szekvencia legalsó része maradt meg.
7.ábra. 47 Tucanae klaszter: ez a H-R diagram a 47 gömbhalmazra vonatkozik. Vegye figyelembe, hogy a fényesség skálája eltér az ebben a fejezetben szereplő többi H–R diagramtól. Csak a fő szekvencia alsó részére koncentrálunk, az egyetlen részre, ahol a csillagok még mindig ebben a régi klaszterben maradnak.
hány évesek a különböző klaszterek, amelyekről beszéltünk? Ahhoz, hogy megkapjuk a tényleges életkorukat (években), össze kell hasonlítanunk a különböző korú számított H–R diagramok megjelenését a valós klaszterek megfigyelt H–R diagramjaival. A gyakorlatban a csillagászok a fő szekvencia tetején lévő pozíciót (vagyis azt a fényerőt, amelynél a csillagok elkezdenek elmozdulni a fő szekvenciáról, hogy vörös óriássá váljanak) használják a klaszter korának mércéjeként (a korábban tárgyalt főszekvencia-kikapcsolás). Például összehasonlíthatjuk a legfényesebb csillagok fényességét, amelyek még mindig a fő szekvenciában vannak a 3.és a 6. ábrán.
ezzel a módszerrel egyes asszociációk és nyílt klaszterek akár 1 millió évesek is lehetnek, míg mások több száz millió évesek. Miután a halmazt körülvevő összes csillagközi anyagot felhasználták csillagok kialakítására, vagy szétszóródtak és eltávolodtak a halmaztól, a csillagképződés megszűnik, és a fokozatosan kisebb tömegű csillagok elmozdulnak a fő szekvenciától, amint azt a 3., 5. és 6. ábra mutatja.
meglepetésünkre a galaxisunk legfiatalabb gömbhalmazai közül is kiderül, hogy idősebbek, mint a legrégebbi nyílt halmaz. Az összes gömbhalmaznak vannak olyan fő szekvenciái, amelyek kisebb fényerővel kapcsolnak ki, mint a Napé. Ezekben a zsúfolt rendszerekben a csillagkeletkezés évmilliárdokkal ezelőtt megszűnt, és nem jönnek új csillagok a fő szekvenciába, hogy helyettesítsék a kikapcsoltakat (lásd a 8.ábrát).
8.ábra. H-R diagramok különböző korú klaszterekhez: ez a vázlat megmutatja, hogy a fő szekvencia kikapcsolási pontja hogyan csökken, Amikor H-R diagramokat készítünk az idősebb klaszterek számára.
valójában a gömbhalmazok a legrégebbi struktúrák galaxisunkban (és más galaxisokban is). A legfiatalabbak körülbelül 11 milliárd évesek, néhányuk pedig még idősebbnek tűnik. Mivel ezek a legrégebbi tárgyak, amelyekről tudunk, ez a becslés az egyik legjobb korhatár, amely az univerzum korára vonatkozik—legalább 11 milliárd évesnek kell lennie. Visszatérünk arra a lenyűgöző kérdésre, hogy meghatározzuk az egész univerzum korát az Ősrobbanásról szóló fejezetben.
kulcsfogalmak és összefoglalás
a klaszterben lévő csillagok H–R diagramja szisztematikusan változik, ahogy a klaszter öregszik. A legnagyobb tömegű csillagok fejlődnek a leggyorsabban. A legfiatalabb klaszterekben és társulásokban az erősen világító kék csillagok a fő szekvencián vannak; a legalacsonyabb tömegű csillagok a fő szekvenciától jobbra fekszenek, és még mindig összehúzódnak felé. Az idő múlásával a fokozatosan alacsonyabb tömegű csillagok eltávolodnak (vagy kikapcsolják) a fő szekvenciát. A legalább 11 milliárd éves gömbhalmazokban egyáltalán nincsenek világító kék csillagok. A csillagászok a fő szekvencia kikapcsolási pontját használhatják a klaszter életkorának meghatározására.
szószedet
fő-szekvencia kikapcsolás:
hely a H-R diagramban, ahol a csillagok elkezdenek elhagyni a fő sorozatot