Astronomia

Na seção anterior, mostramos que a aglomerados abertos são mais jovens do que aglomerados globulares, e associações, normalmente, são ainda mais jovens. Nesta secção, vamos mostrar como determinamos as idades destes aglomerados estelares. A observação chave é que as estrelas nesses diferentes tipos de aglomerados são encontrados em diferentes lugares no diagrama H–R, e podemos usar suas localizações no diagrama em combinação com cálculos teóricos para estimar quanto tempo eles viveram.

diagramas H–R de aglomerados Jovens

o que a teoria prevê para o diagrama H–R de um aglomerado cujas estrelas se condensaram recentemente a partir de uma nuvem interestelar? Lembre-se que em cada fase da evolução, as estrelas massivas evoluem mais rapidamente do que as suas homólogas de menor massa. Depois de alguns milhões de anos (“recentemente” para astrônomos), as estrelas mais massivas deveriam ter completado sua fase de contração e estar na sequência principal, enquanto as menos massivas deveriam estar indo para a direita, ainda em seu caminho para a sequência principal. Estas ideias são ilustradas na Figura 1, que mostra o diagrama H–R calculado por R. Kippenhahn e seus associados na Universidade de Munique para um grupo hipotético com uma idade de 3 milhões de anos.

Figura 1. Young Cluster H–R Diagram: nós vemos um diagrama H–R para um hipotético aglomerado jovem com uma idade de 3 milhões de anos. Note que as estrelas de alta massa (alta luminosidade) já chegaram ao estágio da sequência principal de suas vidas, enquanto as estrelas de menor massa (baixa luminosidade) ainda estão se contraindo em direção à sequência principal da era zero (a linha vermelha) e ainda não são suficientemente quentes para derivar toda a sua energia da fusão do hidrogênio.

existem aglomerados estelares reais que se encaixam nesta descrição. O primeiro a ser estudado (em cerca de 1950) foi NGC 2264, que ainda está associado com a região de gás e poeira de onde nasceu (Figura 2).

Figura 2. Aglomerado jovem NGC 2264: Localizado a cerca de 2600 anos-luz de nós, esta região de estrelas recém-formadas, conhecida como a Árvore de Natal de Cluster, é uma complexa mistura de gás hidrogênio (que é ionizado por quente incorporado estrelas e mostrado em vermelho), dark obscurecendo faixas de poeira e brilhantes estrelas jovens. A imagem mostra uma cena com cerca de 30 anos-luz de diâmetro. (crédito: ESO)

o diagrama H–R do aglomerado NGC 2264 é mostrado na Figura 3. O aglomerado no meio da nebulosa de Órion (mostrado na formação de estrelas) está em um estágio semelhante de evolução.

Figura 3. NGC 2264 H-R Diagram: Compare este diagrama H–R com o da Figura 1; embora os pontos dispersem um pouco mais aqui, os diagramas teóricos e observacionais são notavelmente, e satisfatoriamente, similares.

à medida que os aglomerados envelhecem, os seus diagramas H–R começam a mudar. Após um curto período de tempo (menos de um milhão de anos depois de alcançarem a sequência principal), as estrelas mais massivas usam o hidrogênio em seus núcleos e evoluem para fora da sequência principal para se tornarem gigantes vermelhas e supergigantes. À medida que mais tempo passa, as estrelas de menor massa começam a deixar a sequência principal e a fazer o seu caminho para a parte superior direita do diagrama H–R.

Figura 4 é uma fotografia de NGC 3293, um aglomerado com cerca de 10 milhões de anos de idade. As nuvens densas de gás e poeira desapareceram. Uma estrela massiva evoluiu para se tornar uma gigante vermelha e se destaca como um membro laranja especialmente brilhante do aglomerado.

Figura 4. NGC 3293: todas as estrelas num aglomerado aberto como NGC 3293 formam-se ao mesmo tempo. As estrelas mais massivas, no entanto, esgotam seu combustível nuclear mais rapidamente e, portanto, evoluem mais rapidamente do que as estrelas de baixa massa. À medida que as estrelas evoluem, tornam-se mais vermelhas. A estrela laranja brilhante em NGC 3293 é o membro do aglomerado que evoluiu mais rapidamente. (crédito: ESO / G. Beccari)

a Figura 5 mostra o diagrama H–R do aglomerado aberto M41, que é de cerca de 100 milhões de anos; por esse tempo, um significativo número de estrelas que têm movido para a direita e se tornarem gigantes vermelhas. Note a lacuna que aparece neste diagrama H-R entre as estrelas próximas à sequência principal e as gigantes vermelhas. Uma lacuna não implica necessariamente que as estrelas evitem uma região de certas temperaturas e luminosidades. Neste caso, ele simplesmente representa um domínio de temperatura e luminosidade através do qual as estrelas evoluem muito rapidamente. Vemos uma lacuna para a M41 porque neste momento em particular, não apanhámos uma estrela no processo de correr através desta parte do diagrama.

Figura 5. Aglomerado M41: (a ) Aglomerado M41 é mais velho do que NGC 2264 (ver) e contém vários gigantes vermelhos. Algumas de suas estrelas mais massivas não estão mais perto da sequência principal da era zero (linha vermelha). b) esta fotografia em terra mostra o aglomerado aberto M41. Note que contém várias Estrelas de cor laranja. Estas são estrelas que esgotaram o hidrogênio em seus centros, e se tornaram gigantes vermelhas. (crédito b: a modificação da obra pelo NOAO/AURA/NSF)

H–R Diagramas dos mais Velhos Clusters

Depois de 4 bilhões de anos se passaram, muitas mais estrelas, incluindo as estrelas que são apenas algumas vezes mais massiva que o Sol, deixou a seqüência principal (Figura 6). Isto significa que nenhuma estrela fica perto do topo da sequência principal; apenas as estrelas de baixa massa perto do fundo permanecem. Quanto mais antigo o aglomerado, menor o ponto na sequência principal (e menor a massa das estrelas) onde as estrelas começam a se mover em direção à região da gigante vermelha. A localização no diagrama H–R onde as estrelas começaram a deixar a sequência principal é chamada de retorno da sequência principal.

Figura 6. Diagrama H-R para um aglomerado mais antigo: vemos o diagrama H-R para um aglomerado hipotético mais antigo com uma idade de 4,24 bilhões de anos. Note que a maioria das estrelas na parte superior da sequência principal se desligaram em direção à região gigante vermelha. E as estrelas mais massivas do aglomerado já morreram e já não estão no diagrama.

os aglomerados mais antigos de todos são os aglomerados globulares. A figura 7 mostra o diagrama H-R do aglomerado globular 47 Tucanae. Observe que as escalas de luminosidade e temperatura são diferentes das dos outros diagramas H–R deste capítulo. Na Figura 6, por exemplo, a escala de luminosidade no lado esquerdo do diagrama vai de 0,1 a 100.000 vezes a luminosidade solar. Mas na Figura 7, a escala de luminosidade foi significativamente reduzida em extensão. Tantas estrelas neste velho aglomerado tiveram tempo de desligar a sequência principal que apenas o fundo da sequência principal permanece.

Figura 7. Cluster 47 Tucanae: este diagrama H-R é para o aglomerado globular 47. Note que a escala de luminosidade difere da dos outros diagramas H–R neste capítulo. Estamos apenas focando na parte inferior da sequência principal, a única parte onde as estrelas ainda permanecem neste velho aglomerado.

quantos anos têm os diferentes grupos que temos discutido? Para obter suas idades reais (em anos), devemos comparar as aparências de nossos diagramas H–R calculados de diferentes idades com diagramas H–R observados de aglomerados reais. Na prática, os astrônomos usam a posição no topo da sequência principal (ou seja, a luminosidade em que as estrelas começam a se mover da sequência principal para se tornarem gigantes vermelhas) como uma medida da idade de um aglomerado (o desvio da sequência principal que discutimos anteriormente). Por exemplo, podemos comparar as luminosidades das estrelas mais brilhantes que ainda estão na sequência principal na Figura 3 e na Figura 6.

usando este método, algumas associações e clusters abertos acabam por ser tão jovens quanto 1 milhão de anos de idade, enquanto outros têm várias centenas de milhões de anos de idade. Uma vez que toda a matéria interestelar em torno de um aglomerado tem sido usada para formar estrelas ou se dispersou e se afastou do aglomerado, a formação de estrelas cessa, e Estrelas de massa progressivamente mais baixa se movem para fora da sequência principal, como mostrado na Figura 3, Figura 5, e Figura 6.

para nossa surpresa, até mesmo os mais jovens dos aglomerados globulares de nossa Galáxia são encontrados como mais velhos do que o mais antigo aglomerado aberto. Todos os aglomerados globulares têm sequências principais que se desligam a uma luminosidade inferior à Do Sol. A formação estelar nesses sistemas lotados cessou bilhões de anos atrás, e nenhuma nova estrela está chegando à sequência principal para substituir as que se desligaram (ver Figura 8).

Figura 8. Diagramas H-R para aglomerados de diferentes idades: este esboço mostra como o ponto de saída da sequência principal fica mais baixo à medida que fazemos diagramas H–R para aglomerados que são mais velhos e mais velhos.

na verdade, os aglomerados globulares são as estruturas mais antigas da nossa galáxia (e em outras galáxias também). Os mais jovens têm idades de cerca de 11 bilhões de anos e alguns parecem ser ainda mais velhos. Uma vez que estes são os objetos mais antigos que conhecemos, esta estimativa é um dos melhores limites que temos na Idade do próprio universo—deve ter pelo menos 11 bilhões de anos de idade. Voltaremos à fascinante questão de determinar a idade de todo o universo no capítulo sobre o Big Bang.

Glossário

> principal-sequência de desvio:

localização no diagrama H–R, onde as estrelas começam a sair da seqüência principal