Отношение период-светимость
В астрономии соотношение период-светимость — это соотношение, связывающее светимость пульсирующих переменных звезд с периодом их пульсации. Самым известным соотношением является закон прямой пропорциональности , справедливый для переменных классических цефеид , иногда называемый законом Ливитта . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Открытое в 1908 году Генриеттой Суон Ливитт , это соотношение сделало цефеиды основополагающими индикаторами космических ориентиров для измерения галактических и внегалактических расстояний . [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Физическая модель, объясняющая закон Ливитта для классических цефеид, называется каппа-механизмом .
История
[ редактировать ]
Ливитт, выпускник Рэдклифф-колледжа , работал в обсерватории Гарвардского колледжа «компьютером » , которому было поручено исследовать фотографические пластинки с целью измерения и каталогизации яркости звезд. Директор обсерватории Эдвард Чарльз Пикеринг поручил Ливитту изучить переменные звезды Малого и Большого Магеллановых Облаков , зафиксированные на фотографических пластинках, сделанных астрографом Брюса на станции Бойден Гарвардской обсерватории в Арекипе , Перу . Она идентифицировала 1777 переменных звезд, из которых 47 классифицировала как цефеиды. В 1908 году она опубликовала свои результаты в «Анналах астрономической обсерватории Гарвардского колледжа» , отметив, что более яркие переменные имеют более длительный период. [ 13 ] Основываясь на этой работе, Ливитт внимательно изучил связь между периодами и яркостью выборки из 25 переменных цефеид в Малом Магеллановом Облаке, опубликованной в 1912 году. [ 11 ] Этот документ был передан и подписан Эдвардом Пикерингом, но в первом предложении указано, что он «подготовлен мисс Ливитт».
В статье 1912 года Ливитт построила график зависимости звездной величины от логарифма периода и определила, что, по ее собственным словам,
Прямую линию можно легко провести между каждой из двух серий точек, соответствующих максимумам и минимумам, показывая тем самым, что существует простая связь между яркостью переменных цефеид и их периодами. [ 11 ]
Используя упрощающее предположение, что все цефеиды в Малом Магеллановом Облаке находились примерно на одинаковом расстоянии, видимая звездная величина каждой звезды эквивалентна ее абсолютной звездной величине, смещенной на фиксированную величину, зависящую от этого расстояния. Эти рассуждения позволили Ливитту установить, что линейно связан логарифм периода звезды с логарифмом средней собственной оптической светимости (которая представляет собой количество мощности, излучаемой звездой в видимом спектре ). [ 14 ]
В то время масштабный коэффициент этой яркости был неизвестен, поскольку расстояния до Магеллановых Облаков были неизвестны. Ливитт выразил надежду, что параллаксы некоторых цефеид будут измерены; Через год после того, как она сообщила о своих результатах, Эйнар Герцшпрунг определила расстояния до нескольких цефеид в Млечном Пути , и что с помощью этой калибровки можно было бы затем определить расстояние до любой цефеиды. [ 14 ]
Это соотношение было использовано Харлоу Шепли в 1918 году для исследования расстояний до шаровых скоплений и абсолютных величин найденных в них переменных скоплений . В то время почти не было замечено, что существует расхождение в соотношениях, обнаруженных для нескольких типов пульсирующих переменных, известных под общим названием цефеиды. Это несоответствие было подтверждено исследованием Эдвина Хаббла шаровых скоплений вокруг Галактики Андромеды в 1931 году . Решение не было найдено до 1950-х годов, когда было показано, что цефеиды популяции II систематически были тусклее, чем популяции I. цефеиды Переменные кластера ( переменные RR Лиры ) были еще более тусклыми. [ 15 ]
Отношения
[ редактировать ]Зависимости период-светимость известны для нескольких типов пульсирующих переменных звезд : цефеид I типа; цефеиды II типа; переменные RR Лиры; Переменные Миры ; и другие длиннопериодические переменные звезды . [ 16 ]
Классические цефеиды
[ редактировать ]
Соотношение периода и светимости классической цефеиды калибровалось многими астрономами на протяжении двадцатого века, начиная с Герцшпрунга . [ 17 ] Калибровка соотношения период-светимость была проблематичной; однако Бенедикт и др. установили надежную галактическую калибровку. 2007 г. с использованием точных параллаксов HST для 10 близлежащих классических цефеид. [ 18 ] Также в 2008 году астрономы ESO оценили с точностью до 1% расстояние до цефеиды RS Корма , используя световые эхо от туманности, в которой она находится. [ 19 ] Однако последний вывод активно обсуждается в литературе. [ 20 ]
цефеид популяции I Следующая взаимосвязь между периодом P и ее средней абсолютной величиной M v была установлена на основе космического телескопа Хаббл тригонометрических параллаксов для 10 близлежащих цефеид:
где P измеряется в днях. [ 21 ] [ 18 ] Следующие соотношения также можно использовать для расчета расстояния до классических цефеид .
Влияние
[ редактировать ]
Классические цефеиды (также известные как цефеиды популяции I, цефеиды типа I или переменные дельта-цефеид) подвергаются пульсациям с очень регулярными периодами порядка дней или месяцев. Переменные цефеид были открыты в 1784 году Эдвардом Пиготтом , сначала с переменностью Эта Орла , [ 22 ] и несколько месяцев спустя Джоном Гудриком с переменностью Дельты Цефеи , одноименной звезды классических цефеид. [ 23 ] Большинство цефеид идентифицировались по характерной форме кривой блеска с быстрым увеличением яркости и резким поворотом.
Классические цефеиды в 4–20 раз массивнее Солнца. [ 24 ] и до 100 000 раз ярче. [ 25 ] Эти цефеиды представляют собой желтые яркие гиганты и сверхгиганты спектрального класса F6–K2, их радиусы изменяются порядка 10% за цикл пульсаций. [ 26 ]
Работа Ливитт над цефеидами в Магеллановых облаках привела ее к открытию связи между светимостью и периодом переменных цефеид . Ее открытие предоставило астрономам первую « стандартную свечу », с помощью которой можно измерять расстояния до далеких галактик . Цефеиды вскоре были обнаружены в других галактиках, таких как Андромеда (в частности, Эдвином Хабблом в 1923–24 годах), и они стали важной частью доказательства того, что «спиральные туманности» являются независимыми галактиками, расположенными далеко за пределами Млечного Пути . Открытие Ливитта заложило основу для фундаментального сдвига в космологии, поскольку оно побудило Харлоу Шепли переместить Солнце из центра галактики в « Великих дебатах », а Хаббла — переместить галактику Млечный Путь из центра Вселенной. Благодаря соотношению период-светимость, позволяющему точно измерять расстояния в межгалактическом масштабе, началась новая эра в современной астрономии с пониманием структуры и масштаба Вселенной. [ 27 ] Открытие расширяющейся Вселенной Жоржем Леметром и Хабблом стало возможным благодаря новаторским исследованиям Ливитта. Хаббл часто говорил, что Ливитт заслужила Нобелевскую премию за свою работу. [ 28 ] и действительно, в 1924 году она была номинирована членом Шведской академии наук , хотя, поскольку тремя годами ранее она умерла от рака, она не имела на это права. [ 29 ] [ 30 ] (Нобелевская премия не присуждается посмертно.)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сторм, Дж.; Гирен, В.; Фуке, П.; Барнс, Т.Г.; Петржинский, Г.; Нардетто, Н.; Вебер, М.; Гранцер, Т.; Штрассмайер, КГ (октябрь 2011 г.). «Калибровка соотношения период-светимость цефеид с помощью метода инфракрасной поверхностной яркости: I. p -фактор, отношения Млечного Пути и универсальное соотношение K -диапазона». Астрономия и астрофизика . 534 . EDP Sciences: A94. arXiv : 1109.2017 . Бибкод : 2011A&A...534A..94S . дои : 10.1051/0004-6361/201117155 . S2CID 96456751 .
- ^ Джонсон, Кирк (27 марта 2024 г.). «Больше ничего не упускают из виду: Генриетта Ливитт, которая разгадала тайны звезд. Портрет, возникший в результате ее открытия, названного Законом Ливитта, показал, что Вселенная была в сотни раз больше, чем предполагали астрономы» . Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 27 марта 2024 года . Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ «Век цефеид: два астронома с разницей в сто лет используют звезды для измерения Вселенной» (Пресс-релиз). Слоановский цифровой обзор неба. 9 января 2018 года . Проверено 23 сентября 2019 г.
- ^ «Решения общества» . Американское астрономическое общество. 8 марта 2021 г. Архивировано из оригинала 8 марта 2021 г.
- ^ Удальский, А.; Сошинский И.; Шимански, М.; Кубяк, М.; Петржинский, Г.; Возняк, П.; Зебрун, К. (1999). «Эксперимент по оптическому гравитационному линзированию. Цефеиды в Магеллановых облаках. IV. Каталог цефеид из Большого Магелланова облака». Астрономический акт 49 : 223–317. arXiv : astro-ph/9908317 . Бибкод : 1999AcA....49..223U .
- ^ Сошинский И.; Полески, Р.; Удальский, А.; Шиманский, МК; Кубяк, М.; Петржинский, Г.; Выжиковски, Л.; Шевчик, О.; Улачик, К. (2008). «Эксперимент по оптическому гравитационному линзированию. Каталог переменных звезд OGLE-III. I. Классические цефеиды в Большом Магеллановом Облаке». Акта Астрономика . 58 : 163. arXiv : 0808.2210 . Бибкод : 2008AcA....58..163S .
- ^ Фридман, Венди Л.; Мадор, Барри Ф.; Гибсон, Брэд К.; Феррарезе, Лаура; Келсон, Дэниел Д.; Сакаи, Сёко; Молд, Джереми Р.; Кенникатт-младший, Роберт С.; Форд, Голландия К.; Грэм, Джон А.; Хухра, Джон П.; Хьюз, Шон М.Г.; Иллингворт, Гарт Д.; Макри, Лукас М.; Стетсон, Питер Б. (2001). «Окончательные результаты ключевого проекта космического телескопа Хаббла по измерению постоянной Хаббла». Астрофизический журнал . 553 (1): 47–72. arXiv : astro-ph/0012376 . Бибкод : 2001ApJ...553...47F . дои : 10.1086/320638 . S2CID 119097691 .
- ^ Тамманн, Джорджия; Сэндидж, А.; Рейндл, Б. (2008). «Расширение поля: значение H 0». Обзор астрономии и астрофизики . 15 (4): 289–331. arXiv : 0806.3018 . Бибкод : 2008A&ARv..15..289T . дои : 10.1007/s00159-008-0012-y . S2CID 18463474 .
- ^ Маджесс, диджей; Тернер, Д.Г.; Лейн, диджей (2009). «Характеристика Галактики по цефеидам». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 398 (1): 263–270. arXiv : 0903.4206 . Бибкод : 2009MNRAS.398..263M . дои : 10.1111/j.1365-2966.2009.15096.x . S2CID 14316644 .
{{cite journal}}: CS1 maint: неотмеченный бесплатный DOI ( ссылка ) - ^ Фридман, Венди Л.; Мадор, Барри Ф. (2010). «Постоянная Хаббла». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 48 : 673–710. arXiv : 1004.1856 . Бибкод : 2010ARA&A..48..673F . doi : 10.1146/annurev-astro-082708-101829 . S2CID 119263173 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ливитт, Генриетта С.; Пикеринг, Эдвард К. (1912). «Периоды 25 переменных звезд в Малом Магеллановом Облаке». Циркуляр обсерватории Гарвардского колледжа . 173 : 1–3. Бибкод : 1912HarCi.173....1L .
- ^ Керри Малатеста (16 июля 2010 г.). «Дельта Цефеи» . Американская ассоциация наблюдателей переменных звезд.
- ^ Ливитт, Генриетта С. (1908). «1777 переменных в Магеллановых облаках». Анналы обсерватории Гарвардского колледжа . 60 : 87–108. Бибкод : 1908АнХар..60...87Л .
- ^ Перейти обратно: а б Ферни, доктор юридических наук (декабрь 1969 г.). «Соотношение периода и светимости: исторический обзор» . Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 81 (483): 707. Бибкод : 1969PASP...81..707F . дои : 10.1086/128847 .
- ^ Бааде, В. (1956). «Соотношение периода и светимости цефеид» . Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 68 (400): 5. Бибкод : 1956PASP...68....5B . дои : 10.1086/126870 .
- ^ Сесар, Бранимир; Фуэно, Морган; Прайс-Уилан, Адриан М.; Бейлер-Джонс, Корин А.Л.; Гулд, Энди; Рикс, Ханс-Вальтер (2017). «Вероятностный подход к подбору соотношений период-светимость и проверке параллаксов Гайи » . Астрофизический журнал . 838 (2): 107. arXiv : 1611.07035 . Бибкод : 2017ApJ...838..107S . дои : 10.3847/1538-4357/aa643b .
- ^ Герцшпрунг, Эйнар (1913). «О пространственном распределении переменных типа δ Цефея». Астрономические новости . 196 : 201. Бибкод : 1913AN....196..201H .
- ^ Перейти обратно: а б Бенедикт, Г. Фриц; МакАртур, Барбара Э.; Праздник, Майкл В.; Барнс, Томас Г.; Харрисон, Томас Э.; Паттерсон, Ричард Дж.; Мензис, Джон В.; Бин, Джейкоб Л.; Фридман, Венди Л. (2007). «Параллаксы датчика точного наведения космического телескопа Хаббл галактических переменных звезд-цефеид: отношения период-светимость». Астрономический журнал . 133 (4): 1810. arXiv : astro-ph/0612465 . Бибкод : 2007AJ....133.1810B . дои : 10.1086/511980 .
- ^ Кервелла, П.; Меран, А.; Сабадос, Л.; Фуке, П.; Берсье, Д.; Помпеи, Э.; Перрен, Г. (2008). «Долгопериодическая галактическая цефеида RS Корма» . Астрономия и астрофизика . 480 (1): 167. arXiv : 0802.1501 . Бибкод : 2008A&A...480..167K . дои : 10.1051/0004-6361:20078961 . S2CID 14865683 .
- ^ Бонд, HE; Спаркс, ВБ (2009). «Об определении геометрического расстояния до цефеиды RS Корма по ее световым эхо». Астрономия и астрофизика . 495 (2): 371. arXiv : 0811.2943 . Бибкод : 2009A&A...495..371B . дои : 10.1051/0004-6361:200810280 .
- ^ Бенедикт, Г. Фриц; МакАртур, Б.Э.; Фредрик, LW; Харрисон, штат Техас; Слесник, CL; Ри, Дж.; Паттерсон, Р.Дж.; Скрутские, М.Ф.; Франц, О.Г.; Вассерман, Л.Х.; Джефферис, Вашингтон; Нелан, Э.; Ван Альтена, В.; Шелус, П.Дж.; Хеменуэй, PD; Данкомб, РЛ; Стори, Д.; Уиппл, Алабама; Брэдли, Эй Джей (2002). «Астрометрия с космическим телескопом Хаббла: параллакс фундаментального калибратора расстояний δ Цефеи». Астрономический журнал . 124 (3): 1695. arXiv : astro-ph/0206214 . Бибкод : 2002AJ....124.1695B . дои : 10.1086/342014 . S2CID 42655824 .
- ^ Пиготт, Эдвард (1785). «Наблюдения новой переменной звезды». Философские труды Королевского общества . 75 : 127–136. Бибкод : 1785RSPT...75..127P . дои : 10.1098/rstl.1785.0007 . S2CID 186212958 .
- ^ Гудрик, Джон (1786). «Ряд наблюдений и открытие периода изменения света звезды, отмеченной Байером δ, вблизи головы Цефея. В письме Джона Гудрика, эсквайра, Невилу Маскелайну, DDFRS и астроному. Королевский» . Философские труды Лондонского королевского общества . 76 : 48–61. Бибкод : 1786RSPT...76...48G . дои : 10.1098/rstl.1786.0002 .
- ^ Тернер, Дэвид Г. (1996). «Прародители классических переменных цефеид». Журнал Королевского астрономического общества Канады . 90 : 82. Бибкод : 1996JRASC..90...82T .
- ^ Тернер, Дэвид Г. (2010). «Калибровка PL для цефеид Млечного Пути и ее значение для шкалы расстояний». Астрофизика и космическая наука . 326 (2): 219–231. arXiv : 0912.4864 . Бибкод : 2010Ap&SS.326..219T . дои : 10.1007/s10509-009-0258-5 . S2CID 119264970 .
- ^ Роджерс, AW (1957). «Изменение радиуса и тип популяции переменных цефеид» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 117 : 85–94. Бибкод : 1957МНРАС.117...85Р . дои : 10.1093/mnras/117.1.85 .
- ^ «1912: Генриетта Ливитт обнаруживает дистанционный ключ». Повседневная космология. Нп и Интернет. 20 октября 2014 г. «1912: Генриетта Ливитт открывает ключ расстояния | Повседневная космология» . Архивировано из оригинала 4 июня 2014 г. Проверено 5 октября 2016 г.
- ^ Вентрудо, Брайан (19 ноября 2009 г.). «Мильные отметки к галактикам» . Одноминутный астроном . Архивировано из оригинала 12 марта 2015 года . Проверено 24 сентября 2019 г.
- ^ Сингх, Саймон (2005). Большой Взрыв: Происхождение Вселенной . Многолетник Харпер. Бибкод : 2004biba.book.....S . ISBN 978-0-00-715252-0 .
- ^ Джонсон, Джордж (2005). Звезды мисс Ливитт: нерассказанная история женщины, которая открыла, как измерить Вселенную (1-е изд.). Нью-Йорк: Нортон. ISBN 978-0-393-05128-5 .