Диаграмма Герцшпрунга – Рассела
Диаграмма Герцшпрунга-Рассела (сокращенно диаграмма HR , диаграмма HR или HRD ) представляет собой диаграмму рассеяния звезд , показывающую взаимосвязь между абсолютными звездными величинами или светимостью звезд и их звездными классификациями или эффективными температурами . Диаграмма была создана независимо в 1911 году Эйнаром Герцшпрунгом и Генри Норрисом Расселом в 1913 году и представляла собой важный шаг на пути к пониманию звездной эволюции .
Историческая справка
[ редактировать ]были проведены крупномасштабные фотографические спектроскопические исследования звезд В девятнадцатом веке в обсерватории Гарвардского колледжа , в результате которых были созданы спектральные классификации для десятков тысяч звезд, кульминацией которых в конечном итоге стал Каталог Генри Дрейпера . В один из сегментов этой работы Антония Мори включила разделение звезд по ширине их спектральных линий . [ 1 ] Герцшпрунг отметил, что звезды, описываемые узкими линиями, имеют тенденцию иметь меньшие собственные движения , чем другие звезды той же спектральной классификации. Он воспринял это как признак большей светимости узколинейных звезд и вычислил вековые параллаксы для нескольких их групп, что позволило ему оценить их абсолютную величину. [ 2 ]
В 1910 году Ганс Освальд Розенберг опубликовал диаграмму, показывающую видимую звездную величину звезд в скоплении Плеяд в зависимости от силы линии кальция K и двух водорода линий Бальмера . [ 3 ] Эти спектральные линии служат показателем температуры звезды, ранней формой спектральной классификации. Видимая величина звезд в одном скоплении эквивалентна их абсолютной величине, поэтому эта ранняя диаграмма фактически представляла собой график зависимости светимости от температуры. Диаграммы того же типа до сих пор используются как средство отображения звезд в скоплениях без необходимости первоначально знать их расстояние и светимость. [ 4 ] Герцшпрунг уже работал с диаграммами этого типа, но его первые публикации, показывающие это, были только в 1911 году. Это также была форма диаграммы, в которой использовались видимые величины скопления звезд, находящихся на одном и том же расстоянии. [ 5 ]
Ранние версии диаграммы Рассела (1913 г.) включали гигантские звезды Мори, идентифицированные Герцшпрунгом, ближайшие звезды с измеренными в то время параллаксами, звезды из Гиад (близкое рассеянное скопление ) и несколько движущихся групп , для которых метод движущегося скопления. можно было использовать использоваться для определения расстояний и, таким образом, получения абсолютных звездных величин этих звезд. [ 6 ]
Формы диаграммы
[ редактировать ]Существует несколько форм диаграммы Герцшпрунга-Рассела, и номенклатура не очень четко определена. Все формы имеют одинаковое общее расположение: звезды большей светимости находятся в верхней части диаграммы, а звезды с более высокой температурой поверхности — в левой части диаграммы.
Исходная диаграмма отображала спектральный класс звезд по горизонтальной оси и абсолютную визуальную величину по вертикальной оси. Спектральный класс не является числовой величиной, а последовательность спектральных классов представляет собой монотонный ряд , отражающий температуру поверхности звезды. В современных наблюдательных версиях карты спектральный класс заменяется индексом цвета (на диаграммах середины ХХ века чаще всего цвет BV ) звезд. Этот тип диаграммы часто называют наблюдательной диаграммой Герцшпрунга-Рассела или, в частности, диаграммой цвет-величина (CMD), и она часто используется наблюдателями. [ 7 ] В тех случаях, когда известно, что звезды находятся на одинаковых расстояниях, например, внутри звездного скопления, для описания звезд скопления часто используется диаграмма цвет-величина с графиком, на котором вертикальная ось представляет собой видимую звездную величину звезд. Для членов скопления, по предположению, существует одна аддитивная постоянная разница между их видимыми и абсолютными звездными величинами, называемая модулем расстояния , для всего этого скопления звезд. Ранние исследования близлежащих рассеянных скоплений (таких как Гиады и Плеяды ) Герцшпрунгом и Розенбергом привели к появлению первых CMD, за несколько лет до влиятельного синтеза Расселом диаграммы, собирающей данные для всех звезд, для которых можно было определить абсолютные звездные величины. [ 3 ] [ 5 ]
Другая форма диаграммы отображает эффективную температуру поверхности звезды на одной оси и светимость звезды на другой, почти всегда в логарифмическом графике . Теоретические расчеты звездной структуры и эволюции звезд дают графики, соответствующие данным наблюдений. Этот тип диаграммы можно было бы назвать диаграммой температура-светимость , но этот термин почти никогда не используется; когда проводится различие, эта форма вместо этого называется теоретической диаграммой Герцшпрунга – Рассела . Особенностью этой формы диаграммы H–R является то, что температуры отображаются от высокой температуры до низкой температуры, что помогает сравнивать эту форму диаграммы H–R с формой наблюдений.
Хотя эти два типа диаграмм схожи, астрономы проводят между ними резкое различие. Причина этого различия в том, что точное преобразование одного в другое не является тривиальным. Чтобы найти связь между эффективной температурой и цветом, требуется соотношение цвета и температуры , и построить его сложно; Известно, что это функция звездного состава , и на нее могут влиять другие факторы, такие как вращение звезд . При преобразовании светимости или абсолютной болометрической величины в видимую или абсолютную визуальную величину требуется болометрическая поправка , которая может происходить, а может и не происходить из того же источника, что и соотношение цвета и температуры. Необходимо также знать расстояние до наблюдаемых объектов ( т. е . модуль расстояния) и эффекты межзвездного затемнения , как по цвету (покраснение), так и по видимой величине (где эффект называется «затуханием»). Искажение цвета (в том числе покраснение) и потухание (затемнение) наблюдаются также у звезд, имеющих значительные околозвездная пыль . Таким образом, идеал прямого сравнения теоретических предсказаний звездной эволюции с наблюдениями имеет дополнительные неопределенности, возникающие при преобразовании теоретических величин в наблюдения.
Интерпретация
[ редактировать ]
Большинство звезд занимают на диаграмме область вдоль линии, называемой главной последовательностью . На этапе своей жизни, когда звезды находятся на главной линии последовательности, они синтезируют водород в своих ядрах. Следующая концентрация звезд находится на горизонтальной ветви ( синтез гелия в ядре и горение водорода в оболочке, окружающей ядро). Другой характерной особенностью является щель Герцшпрунга , расположенная в области между спектральными классами A5 и G0 и между +1 и -3 абсолютными звездными величинами (т. е. между вершиной главной последовательности и гигантами горизонтальной ветви ). Переменные звезды типа RR Лиры можно найти слева от этого пробела на участке диаграммы, называемом полосой нестабильности . Переменные цефеид также попадают в полосу нестабильности при более высоких светимостях.
Диаграмма HR может использоваться учеными для приблизительного измерения расстояния от Земли до звездного скопления или галактики . Это можно сделать путем сравнения видимых звездных величин звезд в скоплении с абсолютными звездными величинами звезд с известными расстояниями (или модельных звезд). Затем наблюдаемую группу смещают в вертикальном направлении до тех пор, пока две основные последовательности не перекроются. Разница в величине, которая была объединена для сопоставления двух групп, называется модулем расстояния и является прямой мерой расстояния (игнорируя затухание ). Этот метод известен как подбор главной последовательности и представляет собой разновидность спектроскопического параллакса . Можно использовать не только поворот на главной последовательности, но и вершину звезд ветви красных гигантов. [ 8 ] [ 9 ]
Диаграмма, увиденная миссией ЕКА Gaia
[ редактировать ]
ЕКА Миссия «Гайя» показала на диаграмме несколько особенностей, о существовании которых либо не было известно, либо предполагалось. Он обнаружил пробел в главной последовательности, который появляется у М-карликов и объясняется переходом от частично конвективного ядра к полностью конвективному ядру. [ 10 ] [ 11 ] Для белых карликов на диаграмме видно несколько особенностей. На этой диаграмме появляются две основные концентрации, соответствующие последовательности остывания белых карликов, которые объясняются составом атмосферы белых карликов, особенно водорода и гелия . атмосферой белых карликов с преобладанием [ 12 ] Третья концентрация объясняется кристаллизацией ядра внутренней части белых карликов. Это высвобождает энергию и задерживает охлаждение белых карликов. [ 13 ] [ 14 ]
Роль в развитии звездной физики
[ редактировать ]
Рассмотрение диаграммы привело астрономов к предположению, что она может демонстрировать звездную эволюцию . Основное предположение заключалось в том, что звезды коллапсировали из красных гигантов в звезды-карлики, а затем в течение своей жизни двигались вниз по линии главной последовательности. Поэтому считалось, что звезды излучают энергию, преобразуя гравитационную энергию в излучение посредством механизма Кельвина-Гельмгольца . Этот механизм привел к тому, что возраст Солнца составил всего лишь десятки миллионов лет, что создало конфликт по поводу возраста Солнечной системы между астрономами, биологами и геологами, у которых были доказательства того, что Земля была намного старше этого. Этот конфликт был разрешен только в 1930-х годах, когда ядерный синтез был признан источником звездной энергии.
После представления Расселом диаграммы на заседании Королевского астрономического общества в 1912 году Артур Эддингтон был вдохновлен использовать ее в качестве основы для развития идей по звездной физике . В 1926 году в своей книге «Внутреннее строение звезд» он объяснил физику того, как звезды располагаются на диаграмме. [ 15 ] Статья предвосхитила более позднее открытие ядерного синтеза и правильно предположила, что источником энергии звезды было соединение водорода с гелием, высвобождающее огромную энергию. Это был особенно замечательный интуитивный скачок, поскольку в то время источник энергии звезды был еще неизвестен, существование термоядерной энергии не было доказано, и даже то, что звезды в основном состоят из водорода (см. Металличность ), еще не было обнаружено. . Эддингтону удалось обойти эту проблему, сосредоточившись на термодинамике радиационного переноса энергии в недрах звезд. [ 16 ] Эддингтон предсказал, что звезды-карлики большую часть своей жизни остаются практически в статическом положении на главной последовательности. В 1930-х и 1940-х годах, с пониманием синтеза водорода, появилась научно обоснованная теория эволюции красных гигантов, за которой последовали предположения о случаях взрыва и имплозии остатков до белых карликов. Термин «нуклеосинтез сверхновой» используется для описания создания элементов во время эволюции и взрыва звезды, предшествующей сверхновой, — концепция, выдвинутая Фредом Хойлом в 1954 году. [ 17 ] Чистая математическая квантовая механика и классические механические модели звездных процессов позволяют аннотировать диаграмму Герцшпрунга-Рассела известными обычными путями, известными как звездные последовательности - по мере того, как анализируется все больше звезд и рассматриваются математические модели, продолжают добавляться все более редкие и аномальные примеры.
См. также
[ редактировать ]- Асимптотическая ветвь гигантов - звезды, питающиеся за счет синтеза водорода и гелия в оболочке с неактивным ядром из углерода и кислорода.
- Диаграмма цвета и величины галактики - диаграмма, показывающая взаимосвязь между яркостью и массой крупных звездных систем.
- Трек Хаяши – Зависимость светимости от температуры звезд
- Трек Хеньи - путь, пройденный звездами до главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга – Рассела.
- Диаграмма Гесса - Схема звезд в астрономии.
- Красный комок - скопление звезд на астрономической диаграмме.
- Звездная линия рождения - Конструкты в астрофизике
- Звездная изохрона - кривая на диаграмме Герцшпрунга-Рассела, представляющая звезды определенного возраста.
- Звездная классификация - Классификация звезд на основе спектральных свойств.
- Кончик ветви красных гигантов - основной индикатор расстояния, используемый в астрономии.
- Диаграмма цвета – цвета - астрономическая диаграмма, отображающая два показателя цвета.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ AC Мори; ЕС Пикеринг (1897 г.). «Спектры ярких звезд, сфотографированные 11-дюймовым телескопом Дрейпера как часть Мемориала Генри Дрейпера». Анналы обсерватории Гарвардского колледжа . 28 : 1–128. Бибкод : 1897АнХар..28....1М .
- ^ Герцпрунг, Эйнар (1908). «О звездах подразделения c и ac согласно спектральной классификации Антонии К. Мори» . Астрономические новости . 179 (24): 373–380. Бибкод : 1909AN....179..373H . дои : 10.1002/asna.19081792402 .
- ^ Перейти обратно: а б Розенберг, Ганс (1910). «О связи яркости и спектрального класса в Плеядах» . Астрономические новости . 186 (5): 71–78. Стартовый код : 1910AN....186...71R . дои : 10.1002/asna.19101860503 .
- ^ Ванденберг, Д.А.; Брогаард, К.; Лиман, Р.; Касагранде, Л. (2013). «Возраст 95 шаровых скоплений, определенный с помощью усовершенствованного метода». Метод вместе с ограничениями диаграммы цвет-величина и их последствия для более широких проблем». Astrophysical Journal . 775 (2): 134. arXiv : 1308.2257 . Bibcode : 2013ApJ...775..134V . doi : 10.1088/0004-637X/775/2/ 134 S2CID 117065283 .
- ^ Перейти обратно: а б Герцшпрунг, Э., 1911, Об использовании фотографических эффективных длин волн для определения эквивалентов цвета, публикации Астрофизической обсерватории в Потсдаме, 22-й том, 1-е издание = № 63.
Герцшпрунг, Э. (1911). «Об использовании фотографических эффективных длин волн для определения эквивалентов цвета». Издания Астрофизической обсерватории в Потсдаме . 1. 22 (63). - ^ Рассел, Генри Норрис (1914). «Связь между спектрами и другими характеристиками звезд». Популярная астрономия . 22 : 275–294. Бибкод : 1914PA.....22..275R .
- ^ Пальма, Кристофер (2016). «Диаграмма Герцшпрунга-Рассела» . ASTRO 801: Планеты, звезды, галактики и Вселенная . Институт электронного образования Джона А. Даттона: Колледж наук о Земле и минералах: Университет штата Пенсильвания . Проверено 29 января 2017 г.
Величины, которые легче всего измерить... это цвет и величина, поэтому большинство наблюдателей... называют эту диаграмму «диаграммой цвет-величина» или «CMD», а не диаграммой HR.
- ^ Да Коста, GS; Армандров, Т.Э. (июль 1990 г.). «Стандартные гигантские ветви шарового скопления в плоскости (MI , (V – I) O )» . Астрономический журнал . 100 : 162–181. Бибкод : 1990AJ....100..162D . дои : 10.1086/115500 . ISSN 0004-6256 .
- ^ Мюллер, Оливер; Рейкуба, Марина; Йерьен, Хельмут (июль 2018 г.). «Окончание ветвей красных гигантов, расстояния до карликовых галактик Dw1335-29 и Dw1340-30 в группе Центавра». Астрономия и астрофизика . 615 . А96. arXiv : 1803.02406 . Бибкод : 2018A&A...615A..96M . дои : 10.1051/0004-6361/201732455 . S2CID 67754889 .
- ^ «Не забывайте о разрыве: миссия Гайя раскрывает внутренности звезд» . Небо и телескоп . 06.08.2018 . Проверено 19 февраля 2020 г.
- ^ Джао, Вэй-Чун; Генри, Тодд Дж.; Гис, Дуглас Р.; Хэмбли, Найджел К. (июль 2018 г.). «Пробел в нижней главной последовательности, обнаруженный в выпуске данных Gaia 2» . Письма астрофизического журнала . 861 (1): Л11. arXiv : 1806.07792 . Бибкод : 2018ApJ...861L..11J . дои : 10.3847/2041-8213/aacdf6 . ISSN 0004-637X . S2CID 119331483 .
- ^ Сотрудничество, Гайя; Бабюзьо, К.; ван Леувен, Ф.; Барстоу, Массачусетс; Джорди, Дж.; Валленари, А.; Боссини, Д.; Брессан, А.; Кантат-Годэн, Т.; ван Леувен, М.; Браун, AGA (август 2018 г.). «Выпуск данных Gaia 2. Наблюдательные диаграммы Герцшпрунга-Рассела» . Астрономия и астрофизика . 616 : А10. arXiv : 1804.09378 . Бибкод : 2018A&A...616A..10G . дои : 10.1051/0004-6361/201832843 . ISSN 0004-6361 .
- ^ «Наука и технологии ЕКА – Гайя показывает, как звезды, подобные Солнцу, становятся твердыми после своей гибели» . sci.esa.int . Проверено 19 февраля 2020 г.
- ^ Трамбле, Пьер-Эммануэль; Фонтен, Жиль; Фусильо, Никола Пьетро Джентиле; Данлэп, Барт Х.; Генсике, Борис Т.; Холландс, Марк А.; Гермес, Джей-Джей; Марш, Томас Р.; Цукановайте, Елена; Каннингем, Тим (январь 2019 г.). «Кристаллизация ядра и накопление в последовательности охлаждения развивающихся белых карликов». Природа . 565 (7738): 202–205. arXiv : 1908.00370 . Бибкод : 2019Natur.565..202T . дои : 10.1038/s41586-018-0791-x . ISSN 0028-0836 . ПМИД 30626942 . S2CID 58004893 .
- ^ Эддингтон, AS (октябрь 1920 г.). «Внутренняя конституция звезд» . Научный ежемесячник . 11 (4): 297–303. Бибкод : 1920SciMo..11..297E . дои : 10.1126/science.52.1341.233 . JSTOR 6491 . ПМИД 17747682 .
- ^ Эддингтон, А.С. (1916). «О лучистом равновесии звезд» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 77 : 16–35. Бибкод : 1916MNRAS..77...16E . дои : 10.1093/mnras/77.1.16 .
- ^ Хойл, Ф. (1954). «О ядерных реакциях, происходящих в очень горячих звездах. I. Синтез элементов от углерода до никеля». Приложение к астрофизическому журналу . 1 : 121. Бибкод : 1954ApJS....1..121H . дои : 10.1086/190005 .
Библиография
[ редактировать ]- Касагранде, Л.; Портинари, Л.; Флинн, К. (ноябрь 2006 г.). «Точные фундаментальные параметры для нижних звезд главной последовательности» . МНРАС . 373 (1): 13–44. arXiv : astro-ph/0608504 . Бибкод : 2006MNRAS.373...13C . дои : 10.1111/j.1365-2966.2006.10999.x . S2CID 16400466 .
- Портер, Рой (2003). Кембриджская история науки . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. п. 518 . ISBN 978-0-521-57243-9 .
- Секигути, Рука; Фукугита, Масатака (август 2000 г.). «Исследование зависимости цвета и температуры BV» . Астрономический журнал . 120 (2): 1072–1084. arXiv : astro-ph/9904299 . Бибкод : 2000AJ....120.1072S . дои : 10.1086/301490 . S2CID 14679334 . Проверено 1 сентября 2008 г.
- Смит, Роберт (1995). Наблюдательная астрофизика . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. п. 236 . ISBN 978-0-521-27834-8 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Omega Cen HR- анимация диаграммы Герцшпрунга – Рассела, созданная на основе реальных данных Хаббла
- JavaHRD и интерактивная диаграмма Герцшпрунга – Рассела как Java-апплет
- BaSTI - набор звездных треков и изохрон, моделирование с использованием кода FRANEC Астрономической обсерватории Терамо.
- Леос Ондра: первая диаграмма Герцшпрунга-Рассела
- Кто первым опубликовал диаграмму Герцшпрунга-Рассела? Герцшпрунг или Рассел? Ответ: ни то, ни другое! Архивировано 15 мая 2021 г. в Wayback Machine.
