Hertzsprung-Russell-diagrammet Ulf Torkelsson

Relevanta dokument
Stjärnors spektralklasser; dubbelstjärnor Ulf Torkelsson

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

Vilken av dessa nivåer i väte har lägst energi?

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 4,

Universums expansion och storskaliga struktur Ulf Torkelsson

Astrofysikaliska räkneövningar

Laborationsuppgift om Hertzsprung-Russell-diagrammet

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

Stjärnors födslar och död

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

LÖSNING TILL TENTAMEN I STJÄRNORNA OCH VINTERGATAN, ASF010

Planeter Stjärnor Galaxer Uppgifter

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

Från nebulosor till svarta hål stjärnors födelse, liv och död

Mätning av stjärnors avstånd:

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 3,

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

Räkneövning 5 hösten 2014

Solens energi alstras genom fusionsreaktioner

Stjärnors struktur och utveckling Ulf Torkelsson

Universums tidskalor - från stjärnor till galaxer

Final i Wallenbergs Fysikpris

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 1, Bengt Edvardsson

Planetrörelser. Lektion 4

Vår galax, Vintergatan

Innehåll. Innehåll. Verktyg. Astronomiska Verktyg. Matematiska Verktyg

FyU02 Fysik med didaktisk inriktning 2 - kvantfysik

Astronomi. Vetenskapen om himlakropparna och universum

En rundvandring i rymden

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

Översiktskurs i astronomi Lektion 4: Atomer och spektra

Relativitetsteorins grunder, våren 2016 Räkneövning 6 Lösningar

Hemsida. Upplägg. Jordbanans lutning. Himlens fä. Solnedgång. Översiktskurs i astronomi Lektion 2: Grundlä. grundläggande astronomi.

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

Prov Fysik B Lösningsförslag

Solen och andra stjärnor 19 juli Stefan Larsson. Dagens text: Kap 3 Från Aristoteles till stjärnspektra

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

Alla svar till de extra uppgifterna

Uppgifter. Uppgifter. Uppgift 2. Uppgift 1

Kosmologi - läran om det allra största:

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Miljöfysik. Föreläsning 1. Information om kursen Miljöfysik Viktiga termodynamiska storheter Jordens energibudget

Gauss Linsformel (härledning)

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

Astronomin och sökandet efter liv där ute. Sofia Feltzing Professor vid Lunds universitet

Miljöfysik. Föreläsning 2. Växthuseffekten Ozonhålet Värmekraftverk Verkningsgrad

Föreläsning 3: Radiometri och fotometri

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 3

Kvasarer och aktiva galaxer

Du är alltså välkommen till tema avstånd, som kommer att (för)-följa Dej under hela denna kurs.

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

WALLENBERGS FYSIKPRIS

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

NFYA02: Svar och lösningar till tentamen Del A Till dessa uppgifter behöver endast svar anges.

Observationer i Perseus stjärnbild

Bengt Edlén, atomspektroskopist

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

Grundläggande fakta om stjärnor

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 2

KOSMOS PLANETEN JORDEN JAKTEN PÅ ANDRA JORDAR ALEXIS BRANDEKER SÄRTRYCK UR: SVENSKA FYSIKERSAMFUNDETS ÅRSBOK 2018

Edwin Hubbles stora upptäckt 1929

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Observera att uppgifterna inte är ordnade efter svårighetsgrad!

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

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 7 Kvantfysik, Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Utveckling mot vågbeskrivning av elektroner. En orientering

16. Spridning av elektromagnetisk strålning

Final i Wallenbergs Fysikpris

Tentamen i Mekanik för D, TFYY68

Väteatomen. Matti Hotokka

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

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

Lösningar Heureka 2 Kapitel 14 Atomen

Miniräknare, formelsamling

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

Lösningsförslag - Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 122 / BFL 111

2.6.2 Diskret spektrum (=linjespektrum)

Fysik. Laboration 3. Ljusets vågnatur

2 H (deuterium), 3 H (tritium)

Astronomi. Hästhuvudnebulosan. Neil Armstrong rymdresenär.

6. Kvantfysik Ljusets dubbelnatur

Kvantfysik - introduktion

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t 2π T x. s(x,t) = 2 cos [2π (0,4x/π t/π)+π/3]

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

Förberedande baskurs i matematik och fysik för kurserna. Orienteringskurs i astronomi och Universums Byggnad. Författade av Kjell Olofsson

Kapitel 36, diffraktion

2. Spetsen på en symaskinsnål rör sig i en enkel harmonisk rörelse med frekvensen f = 5,0 Hz. Läget i y-led beskrivs alltså av uttrycket

!"#$%&'()*+&%$(,-$%."'/0/1(2( 3&)4'5"$%/'('&$6+&6$(478('*))*/'"9/0/1( :/%$10(0(*&)4'5"$%/( ;6<%/'(56+=18%&( >&$?./0/1(!

Ljusflöde, källa viktad med ögats känslighetskurva. Mäts i lumen [lm] Ex 60W glödlampa => lm

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 5,

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!

WALLENBERGS FYSIKPRIS 2011

Relativitetsteorins grunder, våren 2016 Räkneövning 1 Lösningar

Stjärnhimlen och vår föränderliga världsbild (sammanfattning av Lennart Samuelsson, 2 mars 2010)

Fysik (TFYA14) Fö 5 1. Fö 5

Föreläsning 2. Att uppbygga en bild av atomen. Rutherfords experiment. Linjespektra och Bohrs modell. Vågpartikel-dualism. Korrespondensprincipen

Lösningsförslag. Universitetet i Linköping Institutionen för Fysik och Mätteknik Arno Platau. Tentamen för "BFL 110, Tekniskt Basår, Fysik del 3"

Transkript:

1 Stjärnors temperatur Föreläsning 26/2 Hertzsprung-Russell-diagrammet Ulf Torkelsson Om vi antar att en stjärna strålar som en svartkropp så kan vi bestämma dess temperatur genom att studera dess spektrum. I det enklaste fallet skulle det räcka med att bestämma den våglängd vid vilken stjärnans spektrum har sitt maximum, och sedan kan vi använda Wiens förskjutningslag, men i praktiken gör man snarare som så att man mäter upp strålningsenergin i två våglängdsband, och sedan ser man vilken temperatur som krävs i Plancks strålningslag för att reproducera intensitetsförhållandet. Denna form av temperatur kallar man för en färgtemperatur. Ett annat sätt att bestämma stjärnans temperatur är att studera styrkan av de absorptionslinjer som man ser i stjärnans spektrum. Absorptionslinjer kan i vissa fall vara breda, men bara absorbera en liten del av ljuset, och i andra fall är de smala, men de absorberar en stor del av ljuset inom detta våglängdsband, så för att kunna mäta styrkan på en spektrallinje definierar man en ekvivalentbredd. Detta är den bredd som en spektrallinje, som absorberar allt ljus måste ha för att totalt sett absorbera lika mycket ljus som den linje som man studerar. För att förstå hur temperaturen påverkar en spektrallinjes styrka låt oss titta på Balmer-linjerna från väte. Dessa uppkommer då en väteatom i nivån n = 2 absorberar en foton av lämplig energi så att atomen kan hoppa till en högre nivå. När temperaturen är låg så ligger alla väteatomerna i grundnivån n = 1, och då kan det inte uppkomma några Balmer-linjer, men när temperaturen ökar så kommer väteatomerna att börja röra sig allt snabbare, och när de kolliderar så kommer en del av atomerna att exciteras till högre nivåer som n = 2 och Balmerlinjerna blir allt starkare. Till slut så blir dock temperaturen tillräckligt hög för att väteatomerna istället skall joniseras vid kollisionerna, och då avtar Balmer-linjerna i styrka igen. Därför kan vi använda spektrallinjerna från väte och en del andra atomer som termometrar för att mäta stjärnornas temperaturer. O-stjärnorna som är de hetaste stjärnorna med temperaturer på runt 40 000 K och blå färg har spektrallinjer av joniserat helium och andra joniserade atomer. De blåvita B-stjärnorna har temperaturer mellan 10 000 och 30 000 K, och har starka linjer från neutralt helium. A-stjärnorna är vita med temperaturer mellan 8 000 och 10 000 K och har spektrallinjer av väte. Vätelinjerna finns kvar i F-stjärnorna, men dessa har också linjer av joniserat kalcium, järn och andra metaller. F-stjärnorna har temperaturer mellan 6 000 och 7 500 K. G-stjärnorna är gula med temperaturer mellan 5 000 och 6 000 K. I dessa blir vätelinjerna svagare, och linjer av joniserat och neutralt kalcium samt metallinjer dominerar. K-stjärnorna är orange med temperaturer mellan 4 000 och 5 000 K, och har främst linjer från neutralt kalcium, järn och andra metaller. Slutligen har vi de röda M-stjärnorna vars temperaturer kan gå ner till under 3 000 K. Deras spektra domineras av linjer från molekyler som TiO och neutralt kalcium. Enligt Stefan-Boltzmanns lag finns det ett enkelt samband mellan area, temperatur, och luminositet (total utstrålad effekt) för en svartkroppsstrålare. För en sfärisk svartkropp gäller att luminositeten L = 4πR 2 σt 4. (1) En stjärna är i och för sig inte en perfekt svartkroppsstrålare, men vi kan definiera en effektiv temperatur T eff som exakt uppfyller den här relationen. Tyvärr så kan vi inte direkt mäta upp en stjärnas luminositet, utan det vi observerar från jorden är luminositeten utspridd över en sfär med radien d, så vi mäter upp fluxen eller ljusflödet F = L 4πd 2, (2) och i praktiken mäter vi vanligen bara upp strålningen inom ett begränsat våglängdsband, till exempel V -bandet som approximativt svarar mot det område där våra ögon är känsliga. För att 1

beskriva en stjärnas totala utstrålning har man infört en bolometrisk magnitud m bol = V + BC, (3) där BC är den bolometriska korrektionen. Den absoluta bolometriska magnituden för en stjärna är ett mått på stjärnans totala luminositet, och man kan relatera den till solens luminositet och absoluta bolometriska magnitud genom där M bol ( ) = 4.75 och L = 3.9 10 26 W. 2 Hertzsprung-Russell-diagrammet M bol ( ) M bol ( ) = 2.5 lg L L (4) Man kan ordna stjärnorna i ett diagram på vilket man sätter stjärnans luminositet eller absoluta magnitud på y-axeln och dess effektiva temperatur eller spektralklass på x-axeln (men temperaturen avtar i så fall åt höger. Ett sådant diagram kallas för ett Hertzsprung-Russell-diagram efter de båda astronomer som uppfann det. I Hertzsprung-Russell-diagrammet samlar sig de flesta stjärnorna kring ett diagonalt band som går från ljusstarka blå stjärnor överst till vänster till ljussvaga, röda stjärnor längst ner till höger. Detta band är vad vi kallar för huvudserien. Det finns också en del stjärnor som ligger över huvudserien vilka vi kallar för jättar och överjättar. Under huvudserien finns det subdvärgar och vita dvärgar. Röda dvärgar är en beteckning som ibland används på de mest ljussvaga huvudseriestjärnorna. För att skilja på stjärnor av olika luminositet, men av samma spektralklass införde Morgan och Keenan en luminositetsklassifikation, som består av en romersk siffra vilken ibland följs av en bokstav. Luminositetsklass I är en överjätte, II och III är jättar, IV subjättar, V huvudseriestjärnor och VI subdvärgar. Eftersom spektralklasserna är ett mått på stjärnornas yttemperatur, så är det inte stjärnans temperatur utan snarare dess storlek (radie) som bestämmer huruvida en stjärna är en huvudseriestjärna eller en jätte. Från studier av dubbelstjärnor vet vi att de ljusstarka blåa huvudseriestjärnorna är tunga (upp till 40 solmassor), och att massan sedan minskar längs med huvudserien så att de röda dvärgarna är betydligt lättare än solen. Jättestjärnorna har vanligen massor på ett par solmassor, medan överjättarna vanligen är tyngre än 10 solmassor. Ett viktigt instrument om man vill förstå stjärnors utveckling är att studera stjärnhopar, eftersom det är rimligt att anta att alla stjärnor i en stjärnhop har bildats samtidigt, och man kan då upprätta ett Hertzsprung-Russell-diagram för en stjärnhop, även om man inte känner avståndet till hopen. En del stjärnhopar uppvisar praktiskt taget bara en i stort sett fullständig huvudserie, och väldigt få stjärnor utanför huvudserien bortsett från möjligen någon enstaka överjätte. Andra stjärnhopar saknar den övre delen av huvudserien, men har istället mer jättestjärnor. En rimlig tolkning av detta är att tunga huvudseriestjärnor har kortare livstid än lätta huvudseriestjärnor, och de tunga stjärnorna går igenom en kort period som överjättar. De lättare stjärnorna lever längre, men efter en tid, vilken beror på deras massa, så utvecklas de till jättestjärnor. 3 Dubbelstjärnor Det enda sättet vi har att bestämma stjärnors massor är genom att studera dubbelsstjärnor. Betrakta en dubbelstjärna som består av två stjärnor med massorna M 1 och M 2. Stjärnorna ligger på avstånden a 1 och a 2 från deras gemensamma masscentrum. Från definitionen av masscentrum följer att M 1 a 1 = M 2 a 2. (5) De båda stjärnorna beskriver likformiga elliptiska banor kring masscentrum. Ur detta följer att de båda stjärnorna har hastigheter v 1 och v 2 så att M 1 v 1 = M 2 v 2. (6) 2

Låt oss nu för enkelhets skull anta att stjärnornas banor är cirkulära. då stjärna 1 med en gravitationskraft Stjärna 2 påverkar F = GM 1M 2 a 2, (7) där a = a 1 +a 2 är avståndet mellan stjärnorna. För en cirkulär bana balanseras gravitationskraften av centrifugalkraften som verkar på stjärna 1 Alltså får vi sambandet M 1 v 2 1 a 1. (8) GM 1 M 2 a 2 = M 1v 2 1 a 1. (9) Vi kan nu utnyttja sambandet v 1 P = 2πa 1, där P är omloppstiden för att eliminera v 1 Vi noterar nu att och utnyttjar detta för att eliminera a 1 Vi skriver nu om ekvationen som GM 2 a 2 = 4π2 a 1 P 2. (10) a = a 1 + a 2 = a 1 + M 1 M 2 a 1 = M 1 + M 2 M 2 a 1, (11) GM 2 4π 2 am 2 a 2 = (M 1 + M 2 ) P 2. (12) (M 1 + M 2 ) P 2 = 4π2 a 3 G. (13) Detta är Keplers tredje lag. Vi kan förenkla ekvationen något genom att välja att mäta stjärnmassorna i solmassor, avståndet mellan stjärnorna i astronomiska enheter och omloppstiden i år: (M 1 + M 2 ) P 2 = a 3. (14) Detta samband gäller även om stjärnorna rör sig längs elliptiska banor. I det fallet så är a 1 och a 2 längderna av halva storaxlarna för stjärnornas banor. Genom att analysera en visuell dubbelstjärna, en dubbelstjärna där vi kan se de båda stjärnorna och i princip följa deras rörelser kring varandra, kan vi därför bestämma de båda stjärnornas massor, men det finns två komplikationer. För det första så är det inte banornas storaxlar a 1 och a 2 som vi mäter upp, utan de vinklar α 1 och α 2 som banorna upptar, och om dubbelstjärnans banplan ligger i himmelsplanet så har vi att a 1 = dα 1 och a 2 = dα 2, där d är avståndet till dubbelstjärnan. Lägg här märke till att om vi mäter α i bågsekunder och d i parsec så får vi a i astronomiska enheter. I praktiken så kommer dubbelstjärnans banplan inte att ligga i himmelsplanet, utan vi ser bara projektionen av de elliptiska banorna på stjärnhimlen. Detta medför att ellipsens projicerade form inte överensstämmer med banornas verkliga ellipsform. Det går dock att korrigera för projektionseffekten och bestämma banplanets inklination, vinkel mot himmelsplanet. Exempel: För en dubbelstjärna har man mätt upp parallaxen 0.23 bågsekunder, och att de båda stjärnorna rör sig på cirkulära banor med radierna 0.2 och 0.4 bågsekunder. Bestäm stjärnornas massor om banperioden är 208 dagar. Lösning: I och med att banorna är cirkulära så vet vi att systemets inklination är 0 grader. Separationen mellan stjärnorna är 0.6 bågsekunder. Om parallaxen är 0.23 bågsekunder, så blir separationen mellan stjärnorna 0.6/0.23 = 2.6 AU. Alltså följer ur Keplers tredje lag att summan av stjärnornas massor blir M 1 + M 2 = a3 P 2 = 2.6 3 (208/365) 2 = 54M. (15) 3

Nu gäller också att M 1 = a 2 = 0.4 = 2. (16) M 2 a 1 0.2 Därför följer att 3M 2 = 54M, och alltså har vi M 2 = 18M och M 1 = 2M 2 = 36M. Om stjärnorna ligger alltför nära varandra kan vi inte separera dem på himlen, utan vi ser hela dubbelstjärnan som en ljuspunkt. I dessa fall kan vi fortfarande känna igen den som en dubbelstjärna, om vi i dess spektrum ser spektrallinjerna från båda stjärnorna, och ser hur dessa periodiskt förskjuts relativt varandra genom stjärnornas rörelser kring sitt gemensamma masscentrum. Sådana stjärnor kallas för spektroskopiska dubbelstjärnor, och för dessa fungerar inte den här massbestämningsmetoden eftersom vi inte vet banplanets inklination, men genom att jämföra radialhastigheterna för de båda stjärnorna så kan vi åtminstone bestämma förhållandet mellan stjärnornas massor. Det finns dock ett fall i vilket vi känner banplanets inklination, och det är om det är en förmörkelsedubbelstjärna, så att sett från oss förmörkar stjärnorna varandra under det att de rör sig kring sitt gemensamma masscentrum. I det fallet måste inklinationen vara nära 90 grader, och det går återigen att bestämma stjärnornas massor. Under förmörkelsen avtar stjärnornas ljusstyrka genom att man inte tar emot ljus från båda stjärnornas totala ytor längre. Ljuskurvan under förmörkelsen består av en inledande del under vilken ljusstyrkan gradvis sjunker i takt med att förmörkelsen blir allt mer omfattande, en total del då en yta som svarar mot tvärsnittsarean av den mindre stjärnan är skymd, och sedan en del då ljusstyrkan gradvis ökar igen. Genom att bestämma förmörkelsernas längd, så kan man bestämma stjärnornas radier. Exempel: Man observerar en förmörkelsedubbelstjärna med perioden 12.6 d. Genom spektroskopiska studier mäter man också upp stjärnornas banhastigheter till 80 och 93 km s 1. Bestäm stjärnornas massor och avståndet mellan stjärnorna. Förmörkelsen varar 13.9 h och är maximal under 4.0 h. Beräkna radierna för de båda stjärnorna. Lösning: Genom att det är en förmörkelsedubbelstjärna så vet vi att systemets inklination är praktiskt taget 90 grader. Därför kan vi beräkna separationen a mellan stjärnorna ur 2πa = (v + V ) P. (17) Detta ger oss a = (v + V ) P (80 + 93) 12.6 86400 = = 3 10 7 km = 0.2AU. (18) 2π 2π Vi kan beräkna summan av de båda massorna ur som ger Vi har också att som ger oss vilket ger Den andra stjärnans massa är då (M 1 + M 2 ) P 2 = a 3, (19) M 1 + M 2 = a3 P 2 = 0.2 3 (12.6/365) 2 M = 6.7M. (20) M 2 v = M 1 V, (21) ( V M 1 + M 1 v = M 1 1 + V ) = 6.7M, (22) v M 1 = 6.7M 1 + V/v = 6.7M 1 + 80/93 = 3.6M. (23) M 2 = 3.1M. (24) Under den totala tiden som förmörkelsen varar så måste den ena stjärnan förflytta sig en sträcka 2(R 1 + R 2 ) relativt den andra stjärnan. Förflyttningen sker med hastigheten v + V, så vi har 2 (R 1 + R 2 ) = (v + V ) t 41. (25) 4

Förmörkelsen är total under den tid som den ena stjärnan täcker den andra stjärnan så mycket som möjligt. Detta sker under en sträcka R 1 R 2, så vi har Om vi adderar dessa ekvationer får vi så att 2 (R 1 R 2 ) = (v + V ) t 32. (26) 4R 1 = (v + V ) ( t 41 + t 32 ), (27) R 1 = 1 4 (v + V ) ( t 41 + t 32 ) = 1 4 (80 + 93) (13.9 + 4.0) 3 600 = 2.8 106 km = 4.0R. (28) Om vi istället subtraherar ekvationerna får vi så att 4R 2 = (v + V ) (t 41 t 32 ), (29) R 2 = 1 4 (v + V ) (t 41 t 32 ) = 1 4 (80 + 93) (13.9 4.0) 3 600 = 1.5 106 km = 2.2R. (30) 5