Mätning av stjärnors avstånd:



Relevanta dokument
Översiktskurs i astronomi Lektion 7: Solens och stjärnornas energiproduktion samt utveckling

Solens energi alstras genom fusionsreaktioner

Universums tidskalor - från stjärnor till galaxer

Från nebulosor till svarta hål stjärnors födelse, liv och död

Stjärnors födslar och död

Stjärnors spektralklasser; dubbelstjärnor Ulf Torkelsson

Stjärnors död samt neutronstjärnor. Planetära nebulosan NGC (New General Catalogue) Kattöganebulosan

Vilken av dessa nivåer i väte har lägst energi?

LÖSNING TILL TENTAMEN I STJÄRNORNA OCH VINTERGATAN, ASF010

Astronomi. Vetenskapen om himlakropparna och universum

Solen och andra stjärnor 24 juli Stefan Larsson. Mer kap 3 Stjärnors egenskaper

Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och

Översiktskurs i astronomi Lektion 7: Solens och stjärnornas energiproduktion samt utveckling

Introduktion. Stjärnor bildas, producerar energi, upphör producera energi = stjärnor föds, lever och dör.

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 5,

Hertzsprung-Russell-diagrammet Ulf Torkelsson

Stjärnorna och deras utveckling

Kan vi göra prognoser för solens aktivitet? Resultat från forskning i stjärnors magnetiska aktivitet

Universums expansion och storskaliga struktur Ulf Torkelsson

Stjärnors struktur och utveckling Ulf Torkelsson

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 4,

Varifrån kommer grundämnena på jorden och i universum? Tom Lönnroth Institutionen för fysik, Åbo Akademi, Finland

En rundvandring i rymden

2 H (deuterium), 3 H (tritium)

Inspirationsdag i astronomi. Innehåll. Centret för livslångt lärande vid Åbo Akademi Vasa, 24 mars 2011

Astronomi. Hästhuvudnebulosan. Neil Armstrong rymdresenär.

Allt börjar... Big Bang. Population III-stjärnor. Supernova-explosioner. Stjärnor bildas

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 1, Bengt Edvardsson

Vi ser Vintergatan som ett dimmaktigt bälte över himmelen.

Från atomkärnor till neutronstjärnor Christoph Bargholtz

Instuderingsfrågor i astronomi Svaren finns i föreläsningarna eller i kursboken

Till exempel om vi tar den första kol atomen, så har den: 6 protoner, 12 6=6 neutroner, 6 elektroner; atommassan är också 6 men masstalet är 12!

Upptäckten av gravitationsvågor

Vår närmaste stjärna - Solen

Översiktskurs i astronomi Lektion 8: Mer om stjärnor. Helium-flash. Harvardklassifikationen. rntyper: O, B, A, F, G, K, M (R, N, S, L, T) Stjärntyper

Bengt Edlén, atomspektroskopist

Planeter Stjärnor Galaxer Uppgifter

Översiktskurs i astronomi Lektion 8: Mer om stjärnor. Harvardklassifikationen. Harvardklassifikationen. Minnesramsor

Solen i dag.

Översiktskurs i astronomi

Solsystemet. Lektion 15 (kap 7-8)

Kosmologi. Ulf Torkelsson Teoretisk fysik CTH/GU

Grundläggande fakta om stjärnor

Astrofysikaliska räkneövningar

Kosmologi. Universums utveckling. MN Institutionen för astronomi. Av rättighetsskäl är de flesta bilder från Wikipedia, om inte annat anges

Edwin Hubbles stora upptäckt 1929

Vår galax, Vintergatan

Uppslagsordet Stjärnorna leder hit. För andra betydelser, se Stjärnorna (olika betydelser).

VARFÖR MÖRK ENERGI HAR EN ANMÄRKNINGSVÄRT LITET VÄRDE. Ahmad Sudirman

Relativitetsteorins grunder, våren 2016 Räkneövning 6 Lösningar

Allmän rymdfysik. Plasma Magnetosfärer Solen och solväder. Karin Ågren Rymdfysik och rymdteknik

Atomens historia. Slutet av 1800-talet trodde man att man hade en fullständig bild av alla fysikaliska fenomen.

Kosmologi - läran om det allra största:

Vita dvärgar degenerationstryck

Universum en resa genom kosmos. Jämförande planetologi. Uppkomsten av solsystem

Lokal pedagogisk plan

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 6, Bengt Edvardsson

Laborationsuppgift om Hertzsprung-Russell-diagrammet

Universum. Stjärnbilder och Världsbilder

Med sitt märkliga beteende har den mystiska dubbelstjärnan T Pyx förvirrat både forskare och amatörastronomer i decennier. Nu står det klart att det

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 10, Galaxer, kapitel 10. Bengt Edvardsson

Innehållsförteckning. Innehållsförteckning 1 Rymden 3. Solen 3 Månen 3 Jorden 4 Stjärnor 4 Galaxer 4 Nebulosor 5. Upptäck universum med Cosmonova 3

Kursen är en valbar kurs på grundnivå för en naturvetenskaplig kandidatexamen i fysik.

1755: Immanuel Kant, The Universal Natural History and Theories of the Heavens.

Konsten att "se" det osynliga. Om indirekta metoder att upptäcka exoplaneter

Thomas Hackman ESO-centrum, Turun yliopisto & Institutionen för fysik, Helsingfors universitet

Materia Sammanfattning. Materia

Kumla Solsystemsmodell. Skalenlig modell av solsystemet

KAPITEL 3 I Vintergatan

2. Hur många elektroner får det plats i K, L och M skal?

Instuderingsfrågor Atomfysik

CO i en spiralgalax. Vintergatans spiralmönster. Vintergatans uppbyggnad. Spiralgalaxen M 83. Den neutrala vätgasens v. fördelning f Vintergatan

Kvasarer och aktiva galaxer

Mörk materia och det tidiga universum Joakim Edsjö Stockholms Universitet

Översiktskurs i astronomi Lektion 6: Planetsystem forts. Solsystemet I: Banor. Solsystemet II: Banplanet

Dramatik i stjärnornas barnkammare av Magnus Gålfalk (text och bild)

att båda rör sig ett varv runt masscentrum på samma tid. Planet

Snabba atomer och lysande stjärnor. Hur spektrallinjer berättar om exciterade atomers livstider och den kemiska sammansättningen hos stjärnor.

Instuderingsfrågor för godkänt i fysik år 9

Rapport om Solenergikurs Sol 20 Sida 1 av 6. Kurs innehåll SOL 20

Gull! Astrofysikk, kärnfysik, kvantmekanik og relativitetsteori i vardagen? Jonas Persson Institutt for Fysikk, NTNU

Ulf Torkelsson. 2 Röntgenastronomi och röntgendubbelstjärnor

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 8, Bengt Edvardsson

Solsystemets uppkomst II Proplyder En central fö

Problemsamling. Peter Wintoft Institutet för rymdfysik Scheelevägen Lund

Inspirationsdag i astronomi. Innehåll. Centret för livslångt lärande vid Åbo Akademi Vasa, 24 mars 2011

Fysik Vårt solsystem, universum (livet universum och allting=42;)

Solsystemet samt planeter och liv i universum

Trappist-1-systemet Den bruna dvärgen och de sju kloten

Relativistisk energi. Relativistisk energi (forts) Ekin. I bevarad energi ingår summan av kinetisk energi och massenergi. udu.

Rörelsemängd och energi

Intelligent liv i Universum Är vi ensamma? Föreläsning 3: Exoplaneter & beboeliga zoner

Kardashev typ I. Upplägg. Kardashev typ II. Davies: kapitel 7-8. Kardashev-skalan. Kardashev typ III

Ljuskällor. För att vi ska kunna se något måste det finnas en ljuskälla

Observation av solen. Handledning. ASTA01 Introduktionskurs

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin 12. Kärnfysik Kärnfysik 1

Science Night Rymden nu och framåt Aktuell forskning om rymden som utgångspunkt för intresseskapande fysik.

Intelligent liv i Universum Är vi ensamma? Föreläsning 3: Exoplaneter & beboeliga zoner

Inför solfäcksmaximet : Kortkort om olika sorters solaktiviteter

ETE331 Framtidens miljöteknik

Transkript:

4 Stjärnor Stjärnor är gasklot. Hög temperatur gasen i form av plasma, dvs. med fria elektroner och joner. Stjärnornas energi produceras (i normala fall) med kärnreaktioner (fusion). För att bli en stjärna måste gasklotet vara tillräckligt stort. Solen är en "normal" stjärna. Stjärnornas massa, ljusstyrka, radie och temperaturer varierar mycket, men samband mellan dessa råder. Stjärnorna befinner sig normalt i jämvikt: Gravitationen, som strävar att dra ihop stjärnan, balanseras av den heta gasens tryck, som strävar att utvidga stjärnan. 79

4.1 Stjärnors avstånd och rörelse Mätning av stjärnors avstånd: Nära stjärnor (upp till ett par hundra pc) mäts med hjälp av den trigonometriska parallaxen (see avsnitt 2.11). För längre avstånd används t.ex. fotometrisk avståndsberäkning. Solens närmaste grannstjärna är Proxima Centauri, vars avstånd är 1.3 pc. Mätning av stjärnors rörelse: 1. Tangentialhastigheten syns som egenrörelse och mäts med astrometri. 2. Radialhastigheten syns som Doppler förskjutning (v/c = λ/λ) och mäts med spektrometri. 80

4.2 Stjärnors spektra Största delen av vår kunskap om stjärnor baserar sig på analys av deras spektra, dvs. hur strålningen fördelar sig på de olika våglängderna. spektrallinjer (absorptionseller emissionslinjer): ր Uppkommer vid atomers (eller molekylers) energiövergångar "fingeravtryck" av olika grundämnen (och molekyler) kontinuerligt spektrum: Beror på stjärnans temperatur svartkroppsstrålning. Våglängden för energitoppen av en stjärnas strålning kommer således att bero på stjärnans temperatur stjärnans färg beror på temperaturen. 81

Harvard-klassifikationen: Stjärnorna klassificeras enligt temperatur. C / O B A F G K M \ S Ramsa för att minnas spektralklasserna: Oh Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me! 82

Harvardklassifikationen: klass eff. temperatur färg framträdande (K) spektrallinjer O 30000-50000 blåviolett HeI, HeII B 10000-30000 blåvit HeI, HI A 7500-10000 vit HI, CaII F 6000-7500 gulvit CaII, FeII G 5000-6000 gul CaII, metaller K 3500-5000 orange neutr. metaller M 2500-3500 röd TiO C- och S-klassens stjärnor: Temperatur 3000-4000 K, skiljer sig kemiskt från M-klassen. Klasserna indelas i underklasser 0 9. Yerkes-klassifikationen: Klassificering enligt ljusstyrkan (luminositeten). Ia ljusstarkaste superjättar Ib ljussvagare superjättar II ljusstarka jättar III normala jättar IV underjättar V huvudserien 83

Solens spektralklass är G2v. Exempel på stjärnspektra Om man placerar stjärnorna i ett sk. Hertzsprung-Russel diagram enligt temperatur och absolut magnitud (eller ljusstyrka) kommer huvudserien att framträda som en linje. 84

Hertzsprung-Russel diagram Superjättar Jättar Vita dvärgar Underjättar Solen տ Huvudserien ց 85

Största delen av stjärnorna är i huvudserien: stjärnornas "normala" tillstånd. I huvudserien kommer en stjärna med en bestämd massa att ha en bestämd temperatur, radie och luminositet. Stjärnornarnas massor är 0.08 100 solmassor (M ). Ljusstyrkan varierar mellan 10 4 L 10 7 L. I huvudserien är ljusstyrkan L M 3. Spektralanalys ger även stjärnornas kemiska sammansättning, i allmänhet: 3/4 väte 1/4 helium halten (högst några %) av tyngre grundämnen varierar Stjärnor vars spektra avviker från det normala kallas pekuliära, ex: CP-stjärnor (Chemically Peculiar): Huvudserie-stjärnor med avvikande kemisk sammansättning 86

4.3 Solen Solen är en typisk medelstor stjärna. Solens ålder är ca 4.6 miljarder år Solen består av: 73 % väte 25 % helium 2 % övriga grundämnen Solen producerar energi med effekten 4 10 26 W genom fusion: Protonproton cykeln där väte fusioneras till Helium. Energin frigörs i enlighet med E = mc 2, där m är minskningen av massan i fusionsreaktionen och c är ljuset hastighet. Solen har hittills förbränt ca 5 % av sitt väte. 87

Proton-proton cykeln (ppi-grenen) Energin produceras i solens kärna, där temperaturen är ända upp till T 16 miljoner K. Solens inre är radiativ, dvs. energin förs vidare via strålning. Den radiativa regionen omges av ett konvektivt skikt, där energin transporteras med konvektion. Massflöden och turbulens i plasman magnetfält. 88

Solens egenskaper: massa M 1.989 10 30 kg radie R 6.96 10 8 m effektiv (yt)temperatur T eff 5785 K temperatur i kärnan T c 1.6 10 7 K luminositet L 3.8 10 26 W spektralklass G2v absolut visuell magnitud M V 4.83 Solens olika skikt: radiativ kärna konvektiv mantel atmosfär heliosfär 89

Solens atmosfär (Bilder: NASA): 1. Fotosfären: Den "synliga" solen. Fotosfären ca 400 km tjock. Konvektionen syns som en ständigt föränderlig "grynig" strutkur, granulation. 2. Kromosfären: 2000 km tjock, syns vid total solförmörkelse som en tunn skära eller ring. 3. Övergångsskikt: Utanför kromosfären, ett par tusen km tjockt. Kromosfären övergår i koronan. Temperaturen stiger till 1 miljon K. 4. Koronan: Syns vid solförmörkelse. Temperaturen är ca 1 miljon K stark röntgenstrålning. Koronan hettas av elektriska strömmarinducerade av magnetfält. Koronan avger partiklar i form av solvind, som även träffar jordens magnetosfär. 90

Solen roterar differentiellt: Rotationsperioden är ca 25 dagar vid ekvatorn och över 30 dagar vid polerna. Solens konvektion och rotation orsakar magnetisk aktivitet (Bilder: KVA, NASA): solfläckar spikuler plager protuberanser flares korona-utbrott (Coronal mass ejections) ր Solfläckarnas antal förändras cykliskt med en (irreguljär) period av ca 11 år. Bilder: R.A.Rohde, NASA) 91

Solen har en magnetisk cykel på ca 22 år, pariteten på magnetfältet byts vart 11:e år. Magnetiskt "fjärils-diagram": Magnetfältets latitudinella medelvärde. Vid början av solfläcks-cykeln är solfläckarna på högre latituder, senare allt närmare ekvatorn fjärilsdiagram. Solens aktivitet påverkar klimatet på jorden, perioder av minimal aktivitet har sammanfallit med kalla perioder: Oort-minimum 1010-1050 Wolf-minimum 1282-1342 Spörer-minimum 1416-1532 Maunder-minimum 1654-1714 Dalton-minimum 1795-1823 92

4.4 Stjärnornas struktur och utveckling 4.4.1 Stjärnornas uppkomst Stjärnor uppkommer i de kalla inre delarna av interstellära moln. (Jmf. solsystemets uppkomst.) Gravitationen gör att molnet drar ihop sig. Ofta uppkommer stjärnor i grupper där, där ett stort interstellärt moln fragmenteras till olika stjärnsystem. Stjärnor förekommer ofta som dubbelstjärnor (och trippelstjärnor osv.). Två eller flera stjärnor bildas av samma molnfragment. När fragmentet blir tillräckligt tätt, kan (den gravitationella) energin inte stråla ut helt temperaturen stiger en protostjärna uppkommer. 93

När temperaturen blir tillräckligt hög kärnreaktionerna startar. För att detta skall ske måste stjärnan ha en massa av minst 0.08M (M = solens massa). M < 0.08M brun dvärg. M > 100M stjärnan instabil och förstörs av strålningstrycket. När stjärnan har stabiliserat sig inleds huvudseriefasen: Stjärnan producerar energi främst genom att "förbränna" väte till helium. Stjärnan är i jämvikt. Ju större en stjärna är desto kortare tid i huvudseriefasen, dvs. kortare "livstid" En stjärna av spektralklassen O: Ca 5 miljoner år Solen är i huvudserien ca 10 miljarder år En M dvärgstjärna: Ca 100 miljarder år. 94

4.4.2 Stjärnornas struktur under huvudseriefasen En stjärnas struktur beror främst på dess massa. Stjärnor med massan0.08m 0.26M : energiproduktionen: fusion H He genom proton-proton cykeln hela stjärnan är konvektiv Stjärnor med massan0.26m 1.5M : energiproduktionen: fusion H He genom proton-proton cykeln stjärnans inre radiativ, yttre konvektiv M > 1.1M konvektiv kärna Stjärnor med massan > 1.5M : energiproduktionen: fusion H He genom kol-kväve-syre cykeln, effektivare än pp-cykeln men kräver högre temperatur stjärnans inre är konvektiv och yttre delen radiativ 95

4.4.3 Utvecklingen efter huvudseriefasen När vätet tar slut i kärnan av stjärnan avstannar energiproduktionen och stjärnan hamnar i ojämvikt. Stjärnor med massan0.08m 0.26M : eftersom hela stjärnan är konvektiv kommer den att blandas om och väte-halten i hela stjärnan kommer småningom att minska till slut består stjärnan av nästan bara helium stjärnan kommer att krympa och temperaturen stiga en vit dvärg temperaturen kommer inte att stiga tillräckligt högt för att fusion med helium blir möjlig stjärnan kommer småningom att kallna 96

Copyright Notice Stjärnor med massan0.26m 8M : vätet tar slut i kärnan H-förbränningen fortsätter utåt i ett skal. He-kärnans massa ökar när H-förbränningen fortsätter stjärnans yttre delar utvidgas stjärnan blir större och kallare röd jätte gravitationen pressar ihop kärnan temperaturen stiger fusionsreaktion där He "förbränns" till kol startar när He tar slut i kärnan fortsätter förbränningen utåt i ett skal två skal där förbränning sker: H och He stjärnan blir instabil, kan kasta ut materia planetär nebulosa när fusionsreaktionerna tar slut, kollapsar stjärnan vit dvärg 97

Stjärnor med massan > 8M : stjärnan blir en röd jätte, på motsvarande sätt som mindre stjärnor om massan är > 12M nukleära reaktioner kommer att fortsätta ända till järn stjärnan får skal av successivt (inåt) tyngre grundämnen (väte - helium - kol- syre - kisel) som fusioneras fusion med järn kräver energi, så energiproduktionen avstannar vid järn fusionsreaktionerna i kärnan tar slut kärnan kollapsar när den blir tillräckligt stor fusionsreaktionerna i de yttre delarna accelererar snabbt de yttre delarna exploderar som en supernova kärnan blir kvar neutronstjärna eller ett svart hål 1 4 H, He 4 He 12 16 C, O 28 Si 56 Fe 98

Supernova remnanten Cassiopeia A (Hubble ST, STScI) Grundämnen tyngre än helium produceras via stjärnornas utveckling. Grundämnen tyngre än järn, som kräver energi för att fusioneras, uppstår vid supernova-explosioner 99

4.5 Kompakta stjärnor Kompakta stjärnor är slutprodukten av stjärnornas utveckling. Deras densitet har ökat genom att stjärnan har kollapsat. Beroende av massan blir den kompakta stjärnan en vit dvärg, en neutronstjärna eller ett svart hål. Vita dvärgar: slutprodukten av mindre stjärnor (< 8M ) ex. Sirius B, har solens massa men jordens radie kommer med tiden att kallna svart dvärg Sirius B, Lick Obs. 100

Neutronstjärnor: uppkommer då en stjärn-kärna med massan större än1.4m kollapsar (vid supernova) diameter 10 km densiteten i kärnan 10 18 kg/m 3 antas bestå nästan bara av neutroner (neutron-gröt) eller hyperoner på ytan ett tunnt lager med tunga grundämnen starkt magnetfält roterar ofta snabbt, ex. pulsarer med P rot 1/1000 s Pulsarerna i M1 och Vela (NASA/PSU/ G.Pavlov et al.) 101

Svarta hål: massan för en kollapsande stjärnkärna är minst 1.5 2M graviationen så stor att ljuset inte når ut Schwarzschild-radien R S = 2GM c 2 (för att bli ett svart hål måste jorden krympa till en boll med radien 9 mm) gammautbrotten kan ha samband med uppkomsten av ett svart hål vid en supernova-explosion svarta hål kan endast observas indirekt: T.ex. materia som accelereras kring svarta hålet tiotals svarta hål med ca en stjärnas massa har observerats i vår galax massiva svarta hål i centrum av galaxer Bilder: NASA 102

4.6 Dubbelstjärnor En stor del av alla stjärnor hör till system med två eller flera stjärnor. På basis av hur man upptäcker dessa används klassifikationen: Visuella dubbelstjärnor syns som två skilda stjärnor man kan direkt mäta båda kompenenternas ljusstyrka, spektrum och rörelse Astrometriska dubbelstjärnor endast en kompent ses stjärnans rörelse avslöjar att den har en följeslagare Fotometriska dubbelstjärnor komponenterna kan inte upplösas förmörkelsevariabler: ljusstyrkan ändras när komponenterna skymmer varandra 103

Spektroskopiska dubbelstjärnor komponenterna kan inte upplösas spektret avslöjar att det finns fler än en stjärna: två överlagrade stjärnspektra eller periodisk Doppler-förskjutning Klasifikationen av dubbelstjärnor kan även ske på basen av inbördes avstånd, som kan variera från direkt kontakt till hundratals AU. Dubbelstjärnors rörelse ger t.ex. deras massor. Förmörkelsevariabler stärnornas radier. Man kan även undersöka stjärnornas fysik, flöde av materia mm. Skiss av röntgen-dubbelstjärna 104

4.7 Variabla stjärnor Många stjärnors ljus varierar märkbart regel- eller oregelbundet t.ex. under instabila skeden av stjärnans utveckling före och efter huvudseriefasen. Pulserande stjärnor: stjärnans strålning varierar pulsartat på grund av instabilitet ex. Mira: Magnituden varierar mellan 2 och 10, period 330 d. andra ex. Cepheiderna, W Virginisstjärnorna, RR Lyrae- stjärnorna (används i avståndsmätningar) 105

Eruptiva variabler: stjärnans ljusstyrka varierar oregelbundet (eruptioner) t.ex. dubbelstjärnsystem med massflöde mellan stjärnorna ex. flare-stjärnor, T Tauri-stjärnor, novor, supernovor Rotationsvariabler: variabiliteten beror på fläckar på stjärnans yta (jmf. solfläckar) ex. RS CVn- och FK Comae-stjärnor fläckarna orsakar À ½ ½ variabilitet i stjärnans ljusstyrka och spektral-linjer HD 199178 - en FK Comae-typs stjärna med fläckar (Hackman, 2004) 106

4.8 Stjärnhopar Stjärnorna är inte jämt utspridda i rymden utan grupperade. Stjärnhoparnas stjärnor har uppkommit samtidigt. Associationer: några tiotal stjärnor glest utspridda kommer att upplösas Öppna hopar: består av upp till några hundra stjärnor kommer att upplösas består av nya stjärnor Klotformiga hopar: M35 &M3,DVAA 10 000-1 000 000 stjärnor hög stjärntäthet i centrum stabila gamla stjärnor, nya klotormiga hopar uppstår inte i Vintergatan endel kan vara rester av små galaxer 107

Uppgift 8: Nedan finns HR-diagram för tre öppna stjärnhopar och en typisk klotformig stjärnhop. Hur och varför skiljer de sig från varandra? Bilder: Perryman (1998), Wikipedia 108