Transcript Foredrag. - Trondheim Astronomiske Forening

Stjernespektra
og
stjerners fødsel, liv og død
Birger Andresen,
Trondheim Astronomiske Forening
(www.taf-astro-no)
Medlemsmøte 5. oktober 2011
Hovedfokus
Stjerneutvikling
HR Diagram
Foto: Erlend Rønnekleiv
Spektrum
Temaer
• Verktøy / Hjelpemidler
• Lysstyrker og lysstyrkeskalaer
• Spektrum og spektralklasser
• Stjerners farge og fargeindeks
• Hertzsprung-Russell diagrammet
• Stjerners fødsel, liv og død
• Hvordan finne alderen på en stjernehop
Lysstyrkeskalaen
Lysstyrken til stjerner måles med en skala som er slik at en
forskjell på 5 magnituder tilsvarer en lysstyrkeforskjell på 100. Ett
trinn på magnitudeskalaen utgjør derfor en forskjell på 2,512.
Skalaen er definert slik at de sterkeste
stjernene har en lysstyrke på ca. 0, mens
svake stjerner har høye positive lysstyrker. Vega er kalibreringsstjerne (0 mag).
De svakeste stjernene en person med godt
syn kan se ved gode forhold langt unna
sjenerende lys er ca. +6,5 mag.
Med 14 tommer teleskopet til TAF ser vi
på gode kvelder stjerner ned mot
lysstyrke +15,5 mag.
Stjerners lysstyrke
• Tilsynelatende lysstyrke
• Den lysstyrken vi ser stjernen med på himmelen her fra jorda.
Denne lysstyrken avtar med avstanden. Vi kan beregne hvor mye
lys en stjerne sender ut dersom vi vet avstanden til den og hvor
mye gass og støv det er mellom oss og stjernen.
• Absolutt lysstyrke
• Den virkelige lysstyrken stjerner har.
Den absolutte lysstyrken til en stjerne er lik den tilsynelatende
lysstyrken stjernen hadde hatt dersom den befant seg akkurat 10
parsec = 32.6 lysår unna oss.
Sola har en absolutt lysstyrke på 4,83 mag.
Spektrum
Kontinuerlig spektrum fra for eksempel glødelampe
Ulike typer spektrum
Glødende, faste eller flytende stoffer samt sterkt sammenpressede
gasser gir kontinuerlige spektre:
Gass som bestråles av kontinuerlig kilde gir linjespektrum; absorpsjonsspektrum hvis kilden er bak gassen, ellers emisjonsspektrum :
Emisjonsspektrum (lyse linjer)
Hovedanvendelse: Bestemmelse
av hvor mye av ulike grunnstoffer og molekyler som en gasståke
inneholder.
Absorpsjonsspektrum
(mørke linjer)
F.eks. stjerneatmosfære
eller interstellar gass
Hovedanvendelse: Bestemmelse
av kjemisk sammensetning av
stjerneatmosfærer og gass rundt
stjerner.
Emisjonsspektra for utvalgte grunnstoffer
Hydrogen
Helium
Oksygen
Nitrogen
Silisium
Jern
Anvendelse: Emisjons- og absorpsjonslinjene, og deres intensitet avslører
hvilke grunnstoffer og molekyler som finnes i gasståker og stjernatmosfærer og hvor mye det er av hvert enkelt stoff relativt til f.eks. hydrogen.
Spektralklasser
O B A F G K M
..., B9, A0, A1, A2, …, A8, A9, F0, F1, ...
Undergrupper
Guy
Oh Be A Fine Girl Kiss Me
Typiske stjernespektra
Solas spektrum sett fra jordoverflaten
(solspektrum modifisert av absorpsjon i vår atmosfære)
Stjerners farge
Temperaturen på overflaten til en stjerne bestemmer dens farge
Stjernens farge
Overflatetemperatur (omtrentlig)
Rødlig
Mindre enn 3500 K
Oransje
3500 - 5000 K
Gul/gulhvit
5200 - 7000 K
Grønnhvit
7000 - 10000 K
Blåhvit
10000 - 15000 K
Blåfiolett
15000 - 40000 K
Celsius = Kelvin - 273
Celsius
= K - 273
F.eks.
F.eks.
5000C = 5273K
5000
K = 4723C
10000C = 10273K
10000K = 9 723C
Stjerners strålingsfordeling
Plancks lov:
Fargeindeks
• Måler lysstyrken i standardiserte spektralområder
• Fargeindeks = Forskjellen i to slik områder
• B–V fargeindeks er mest brukt
(rød stjerne har høy positiv B-V fargeindeks,
blå stjerne har negativ B–V fargeindeks)
Spektralklasser og fargeindeks
Hertzsprung-Russell diagram
Ejnar Hertzsprung & Norris Russell (1910)
Betelgeuse
Regulus Capella
Betelgeuse
Regulus
Capella
Sirius
Sola ::Absolutt
:Absolutt
:Absolutt
Absolutt
: Absolutt
lysstyrke
lysstyrke
lysstyrke
lysstyrke
lysstyrke
====0.6
5.0
1.5
-0.3
= -5
Spektralklasse
Spektralklasse
SpektralklasseG2
B7
M2
A0
G2
Sirius
Sola
41 453 stjerner fra Hipparcos katalogen
Hva slags type stjerner
dominerer i antall ?
Kvalitetsdata for 41 453 stjerner
fra Hipparcos katalogen
Resten er stort
sett gule og
røde kjemper
90% av alle
stjernene
ligger på hovedserien
Ulike stjernetypers ’hjemsted’ i H-R diagrammet
Lysstyrkeklasser
Sola = G2 V
Rigel = B8 Ia
Aldebaran = K5 III
Solas utvikling
T Tauri stjerne
Fase 1 fødsel & barndom :
Kjernereaksjoner starter så smått
En stor gassky trekker seg sammen
samtidig
stjernen
seg 2
Stjernen
beveger
segtrekker
mot
punkt
Helesom
denne
fasen
tar
ca.
Sola
mer
sammen
varmes
opp
(T-Tauri
når gassen
variabel
samles
stjerne)
hvor
kjerne-reaksjon
overtar
som
30 millioner år
hovedenergikilde
Sola begynner å lyse svakt og rødlig
Stjernen
er nå
på hovedserien
i punkt
1 i H-R
diagrammet
Stjerners
fødested
Solas utvikling
Fase 2 (Stabilt liv
på hovedserien) :
Overflatetemperatur ca 6000C
Hydrogen omsettes til helium og energi
Lysstyrken øker litt i denne fasen
Denne fasen varer ca. 10 000
millioner år (90% av levetiden)
Solas utvikling
En stjernes størrelse
Stjernens størrelse bestemmes av
balansepunktet mellom tyngdekraften og strålingstrykket.
Stjernen må derfor utvide seg
for å ’lette på trykket’ dersom
temperaturen i kjernen øker
slik at strålingen også øker.
Solas utvikling
En stjernes størrelse
Stjernens størrelse bestemmes av
Stjernen blir rødere
nårtyngdeden
balansepunktet
mellom
utvider og
segstrålingstrykket.
fordi overflaten
kraften
øker mer enn strålingen slik at
Stjernen må derfor utvide seg
temperaturen på overflaten
for å ’lette på trykket’ dersom
synker selv om temperaturen i
temperaturen i kjernen øker
kjernen øker.
slik at strålingen også øker.
Solas utvikling
Fase 3 (Overgang til rød
kjempestjerne) :
Når nesten 10% av stjernen er omTemperaturen i kjernen blir høy
dannet til helium, begynner energinok til at helium starter å ’brenne’
omsetningen og temperaturen i
(helium-flash) når ca. 10% av
kjernen å øke raskt.
stjernen er omdannet til helium.
Strålingstrykket øker slik at
Stjernen
erseg
nåogi punkt
stjernen
utvider
blir en 3
rød kjempestjerne.
Solas utvikling
Fase 4 (Kjernekollaps) :
Helium-flash’et fører til en delvis
kollaps av kjernen, og sola øker
gradvis sin overflatetemperatur
(blir gulere) samtidig som den
sender ut litt mindre energi.
Den beveger seg mot punkt 4 i
H-R diagrammet.
Solas utvikling
Fase 5 (Overgang til større
rød kjempestjerne) :
Sola begynner nå å utvide seg igjen
samtidig som den sender ut enda
mer energi totalt. Den beveger
seg mot punkt 5 i H-R diagrammet.
Den blir en enda større
rød kjempestjerne.
Solas utvikling
Fase 6 (Dannelse av
planetarisk tåke) :
Strålingen
fra
den det
svært
varme
Inne
i tåken
til syne
en
Vi får
enkommer
planetarisk
tåke
kjernen
errest
nå av
så stjernen.
sterk at de
ytre
svært
varm
Denne
består
hovedsakelig
avblåses
karbon
og
Stjernen
beveger
seg mot
delene
av stjernen
vekk
oksygen
av etdiagrammet
tynt
lag med
punkt
6 i H-R
med
enomgitt
hastighet
på
noen
titalls
helium,
og noen ganger litt hydrogen
km/sekund.
helt ytterst.
Planetariske tåker
Foto: Erlend Langsrud
Foto: Erlend Langsrud
Solas utvikling
Fase 7 (Avkjøling til hvit
dvergstjerne) :
Jorda og hvit dverg
Kjernereaksjonene har stanset
Stjernen avkjøles langsomt
og beveger seg mot punkt 7 i
H-R diagrammet
Stjerne med minst
8 solmasser
Eta Carinae
Sola
Snart ’ferdigbrent’ stjerne
med opprinnelig masse
lik 20 solmasser
Jo Rød
mer superkjempe
masse stjernen
desto
raskere år
etterhar,
bare
1-5 millioner
utvikler den seg.
Supernova
Eta Carinae
Foto: E. Langsrud, E. Rønnekleiv & B. Andresen
Foto: Arne Danielsen
Etter supernovaeksplosjonen
Svart hull
Nøytronstjerne
Masse > 3 solmasser
Typisk diameter = ca. 30 km
Typisk masse = ca. 1,4 – ca. 2 solmasser
Typisk diameter = 10-20 km
Aldersbestemmelse av stjernehoper
Vi utnytter at :
• Stjerner med stor masse utvikler seg raskere
enn stjerner med liten masse, og vi vet hvor fort.
Pleiadene (M45)
• Vi vet hvor på H-R diagrammet stjerner med ulik
masse skal ligge når de er på ulike utviklingstrinn
Foto: Erlend Langsrud
• Alle stjernene i en og samme åpne stjernehop
eller kulehop er tilnærmet like langt fra oss
• Alle stjernene i en og samme åpne stjernehop
eller kulehop er dannet omtrent samtidig
(i astronomisk forstand)
• Det dannes stjerner av alle størrelser dersom
det bare er mange nok totalt
M10
Svært ung hop : Alle stjerner på hovedserien med unntak av noen
som er på tur inn på den i nedre høyre hjørne og noen på tur ut mot
kjempe-stadiet oppe i venstre hjørne.
Gammel hop : Kun de minste stjernene er på hovedserien. Alle massive
stjerner er gått over i kjempestadiet, eller er blitt hvite dverger
Turn-off punkt
Aldersbestemmelse av stjernehoper med HR diagram
Illustrasjon: Terje Bjerkgård
Eksempler for åpne hoper
Eksempler for kulehoper
Ca. 13 milliarder år
Ca. 8 milliarder år
M5
M3
Eksempler for kulehoper
Ca. 14 milliarder år
Ca. 14 milliarder år
M 92
Eksempler for kulehoper
M 15
Ca. 13 milliarder år
Oppsummering av stjerneutvikling
Takk for oppmerksomheten
Galakse 30 millioner lysår unna som man mener er svært lik Melkeveien
Totalt 52 minutter
Foto: Erlend Langsrud og meg (TAF)
46