100 Jahre Hertzsprung-Russell Diagramm

Transkript

1 100 Jahre Hertzsprung-Russell Diagramm Max Camenzind - Akademie HD Mai 2017

2 Die Gründerväter Einar Hertzsprung Henry Norris Russell

3 Nach einem 1898 abgeschlossenen Chemiestudium arbeitete Hertzsprung mehrere Jahre in Sankt Petersburg ging er nach Leipzig, um bei Wilhelm Ostwald Grundkenntnisse der Photochemie zu erwerben kehrte er nach Dänemark zurück und wandte sich ersten astronomischen Studien zu, an der Universität Kopenhagen und am privaten Urania-Observatorium in Frederiksberg und 1907 veröffentlichte er heute klassische Artikel Zur Strahlung der Sterne über seine Versuche, die Lichtstärke von Sternen anhand ihren Spektren auszumessen. Karl Schwarzschild wurde auf das junge Talent aufmerksam und vermittelte ihm 1909 eine außerordentliche Professur an der Universität Göttingen. Kurz darauf wechselte Schwarzschild als Direktor an das Astrophysikalische Observatorium in Potsdam und nahm Hertzsprung als Observator mit verstarb Schwarzschild; zusätzlich waren die Forschungsmöglichkeiten für einen Ausländer in Deutschland während des Ersten Weltkrieges zunehmend eingeschränkt. So wechselte Hertzsprung 1919 an die Universitätssternwarte Leiden (Niederlande), deren Leitung er von 1935 bis 1944 innehatte.

4 Um 1910 entwickelten Russell und Ejnar Hertzsprung das Hertzsprung- Russell-Diagramm führte Russell ein System für Sternbilder ein mit einer dreibuchstabigen Abkürzung des lateinischen Namens des Sternbildes. Zusammen mit Frederick Albert Saunders ( ) beschrieb er 1925 die Russell-Saunders-Kopplung (siehe Spin-Bahn-Kopplung, Hundsche Regeln). Zusammen mit Raymond Smith Dugan und John Quincy Stewart schrieb er ein zweibändiges Lehrbuch, dessen zweiter Band die Idee der stellaren Zustandsgrößen verbreitete, siehe Vogt-Russell-Theorem. Russell bestätigte 1929 Cecilia Paynes Entdeckung von 1925, dass die Sonne zum weitaus überwiegenden Teil aus Wasserstoff und Helium besteht, und bestimmte das Massenverhältnis zu 3:1. Daraufhin äußerte der russisch-nordamerikanische Physiker George Gamow die Vermutung, die Energiequelle der Sonne sei in der Verschmelzung von jeweils vier Wasserstoffkernen zu je einem Heliumkern zu suchen und nennt den Prozess Kernfusion bzw. Wasserstofffusion (Wasserstoffbrennen). Gamows Vermutung stellte sich später als richtig heraus.

5 Das Hertzsprung-Russell-Diagramm ist das wichtigste Zustandsdiagramm zur Klassifikation der Sterne. Es verdankt seinen Namen dem dänischen Astronomen Ejnar Hertzsprung und dem englischen Astrophysiker Henry Norris Russell (1913), deren Forschungsarbeit es uns ermöglicht, Sterne nach bestimmten Kriterien, den Zustandsgrößen, einzuordnen. Zu ihnen gehören die Oberflächentemperatur, die Spektralklasse, die Leuchtkraft, die absolute Helligkeit, die Masse, der Radius, die mittlere Dichte und andere Größen, die im Hertzsprung-Russell-Diagramm nicht betrachtet werden. Auf den Abszissen des HRD werden die Oberflächentemperatur oder die Spektralklasse von rechts nach links aufgetragen. Die Leuchtkraft oder die absolute Helligkeit werden durch die Ordinate charakterisiert und nehmen von unten nach oben zu.

6 Grafik: Kosmische Magnetfelder

7 Unsere Themen Sterne Korrelation Leuchtkraft vs Temperatur am besten illustriert an Sternhaufen. Photometrie Äste im Farben-Helligkeits- Diagramm der Kugelsternhaufen. Hertzsprung-Russell Diagramm HRD = Zusammenhang zwischen Leuchtkraft und Effektivtemperatur der Sterne. Sequenz in Masse und zeitlicher Entwicklung der Sterne. Das System Luhman 16ab nächste Braune Zwerge

8 Sterne haben Farben Bläuliche Rötliche Weiße Sterne

9 Offener Sternhaufen NGC 411 HST

10 Die Sterne in NGC 411 in der SMC haben alle ungefähr dasselbe Alter und entstanden in einem Rutsch aus einer [einzigen] Gaswolke. Aber sie haben nicht alle dieselbe Größe. Hubbles Bild zeigt eine breite Vielfalt an Farben und Helligkeiten unter den Sternen des Sternhaufens. Dies gibt Astronomen viele Informationen über die Sterne, darunter ihre Massen, ihre Temperaturen und ihre Entwicklungsphasen. Blaue Sterne haben beispielsweise höhere Oberflächentemperaturen als rote. Das Bild ist eine Zusammenstellung aus ultravioletten, optischen und infraroten Beobachtungen, die mit Hubbles Wide Field Camera 3 gemacht wurden. Diese Filteranordnung lässt das Teleskop Farben "sehen", die ein wenig über das violette und das rote Ende des Spektrums hinausgehen.

11 Der offene Sternhaufen M6 / HST

12 Offene Sternhaufen VISTA ESO

13 Photometrie Kugelsternhaufen (GC) alle Sterne haben dieselbe Distanz

14 M 55 CFHT: 100 Lichtjahre Durchmesser / Sterne / 12 Mrd. Jahre alt

15 Canada France Hawaii Telescope

16 FV-Diagramm Knie RR Lyrae Asympt. Riesenast AGB Horizontal- Ast (He-Fusion) Riesen-Ast (Schalen) Hauptreihe (H-Fusion)

17 Brennphasen im HRD Asymptotischer Riese Roter Riese Horizontal-Ast Weiße Zwerge Hauptreihe

18 Farben-Helligkeitsdiagramm FV Das FV-Diagramm ist nicht gleichmäßig mit Sternen (Datenpunkten) gefüllt. Viele Sterne haben Eigenschaften an der Oberfläche, die zu einer Anordnung der Datenpunkte in einem Streifen im CMD (oder HRD) führt. Dies ist die sogenannte Hauptreihe der Sterne. Dann findet man viele Sterne im roten Teil in einem auf große Helligkeit zugehenden Streifen. Da diese Sterne nahezu gleicher Temperatur sind, können sie nur deswegen so unterschiedliche Lichtmengen abstrahlen, weil sie sehr unterschiedliche Radien haben. Die großen, roten Sterne sind die sogenannten `Roten Riesen'. Entsprechend findet man links unten im Diagramm die `Weißen Zwerge'. Die vielen Typen stehen in Zusammenhängen, die mit Hilfe der Modelle zur Sternentwicklung erklärt werden.

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20 FV-Diagramm offener Sternhaufen Alter

21 Hertzsprung-Lücke

22 Lebensdauer HRD Sternhaufen

23 Unsere Sterne der Sonnenumgebung Überriesen Rote Riesen Grafik: Abriss der Astronomie

24 Zweiter Teil HRD Radien 9. Mai 2017

25 Hertzsprung & Russell (1913) Leuchtkraft als Funktion der Stern- Temperatur Sterne bevölkern nur gewisse Äste

26 Hipparcos Daten Sonnenumgebung Die Sterne auf dem Streifen von rechts unten bis links oben sind Sterne der `Hauptreihe', Sterne im Streifen von der Mitte nach rechts oben sind die `Roten Riesen'. Der Klumpen mit Sternen halbwegs auf dem Riesenast sind die roten `Horizontalaststerne'.

27 1 Mrd. Sterne mit Gaia 2016

28 HRD 1 Jahr Gaia 2016

29 Plejaden / Messier 45

30 Plejaden nur bis zu A-Sternen 3000 Sterne - Alter: 100 Mio. Jahre

31 Die Distanz zu Plejaden Hipparcos lag daneben Gaia 2016 Grafik: Camenzind

32 Kugelsternhaufen M 92 G-Sterne

33 Alterssequenzen 8 15 Gyr Knie log(6000) = 3,778 log(7000) = 3,845

34 Temperatur-Skala in Physik Temperatur physikalisch in Grad Kelvin Die Kelvin Temperatur-Skala ist ähnlich zur Celsius-Skala, jedoch beginnt sie bei -273,15 o. Diese Temperatur absoluter Nullpunkt o C -173 o C 0 o C 100 o C 1000 o C 0 K 100 K 273 K 373 K 1273 K Kelvin = Celsius + 273

35 B-V Effektiv-Temperatur K ist eine obere Grenze für Sterne Warum?

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39 Stephan-Boltzmann: Radien im HRD L = 4π R 2 σt 4 Linien mit R = const

40 Radien Hertzsprung- Russell Diagramm Stephan-Boltzmann: L = 4π R 2 σt 4 R = const

41 Planeten - Sterne im Vergleich

42 Rote Überriesen

43 A red supergiant ends its life as a type II supernova (bottom left) in a spiral arm of M74

44 Ein Cluster von roten Überriesen

45 Ia Hyperriesen Ia Ib III II Leuchtkraft Klassen Ib Überriesen II Helle Riesen III Riesen V IV IV Unterriesen V Hauptreihen Sterne Weiße Zwerge

46 Massen im HRD Hauptreihe: Eine Sequenz in der Masse Erklärung: die Sequenz des H-Brennens WZ: Sequenz in T mit Radius konst

47 Die Alter-Null Hauptreihe im HRD

48 Entwicklung der Superriesen

49 Blaue Überriesen mit Rotem Überriesen in NGC 4755 VLT/ESO

50 HRD Massen-Sequenzen Eddington Grenze 100 Sonnenmassen Braune Zwerge

51 Proxima Centauri Größe der Roten & Braunen Zwerge

52 Jupiter M Zwerg L Zwerg Methan- T Zwerg

53 Luhman 16ab 2 Braune Zwerge Parallaxe: 495 mas Distanz: 6,6 LJ H Band: 9,56 mag Periode: ~ 25 a Separation: 3 AE Masse A: 0,04-0,05 Masse B: 0,03-0,04 Aufnahme: WISE 2013

54 Die sonnennächsten Sterne Luhman 16ab mit WISE 2013 entdeckt; p = mas d ~ 6,58 LJ M A = 0,04 M S M B = 0,03 M S P ~ 25 Jahre Winkeld = 1,5 a ~ 3 AE H = 9,56 mag

55 15 Lichtjahre 5 Lichtjahre

56 Luhman 16B VLT Aufnahmen Atmosphäre ~ Jupiter Temp: ~ 1000 K Rot Periode: 5h Eisen-Regen 1,6 hr 2,4 hr 3,2 hr 0,8 hr 0,0 hr 4,1 hr ESO Presse Release 2014

57 Roter T Zwerg Luhman 16B ~ Jupiter?

58 Zusammenfassung Sterne können am besten an Sternhaufen untersucht werden. alle haben gleiche Distanz. Sterne bilden bestimmte Äste im FV- und HR- Diagramm werden durch Brennphasen erklärt. Harvard-Klassifikation ordnet jedem Stern eine Temperatur zu. Sterne zu gleicher Temperatur können sich im Radius unterscheiden es gibt Zwerge und Riesen. Zwerge setzen sich fort zu Weißen Zwergen und Braunen Zwergen.