Das Hertzsprung-Russell Diagramm
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100 Jahre Hertzsprung-Russell Diagramm Max Camenzind - Akademie HD – Mai 2017 Die Gründerväter Einar Hertzsprung 1873 - 1967 Henry Norris Russell 1877- 1957 Nach einem 1898 abgeschlossenen Chemiestudium arbeitete Hertzsprung mehrere Jahre in Sankt Petersburg. 1901 ging er nach Leipzig, um bei Wilhelm Ostwald Grundkenntnisse der Photochemie zu erwerben. 1902 kehrte er nach Dänemark zurück und wandte sich ersten astronomischen Studien zu, an der Universität Kopenhagen und am privaten Urania-Observatorium in Frederiksberg. 1905 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. 1916 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. Um 1910 entwickelten Russell und Ejnar Hertzsprung das HertzsprungRussell-Diagramm. 1922 führte Russell ein System für Sternbilder ein mit einer dreibuchstabigen Abkürzung des lateinischen Namens des Sternbildes. Zusammen mit Frederick Albert Saunders (1875–1963) 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. • 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. Grafik: Kosmische Magnetfelder Unsere Themen • Sterne – Korrelation Leuchtkraft vs Temperatur • am besten illustriert an Sternhaufen. • Photometrie Äste im Farben-HelligkeitsDiagramm 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 Sterne haben Farben Bläuliche – Rötliche – Weiße Sterne Offener Sternhaufen NGC 411 HST 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. Der offene Sternhaufen M6 / HST Offene Sternhaufen VISTA ESO Photometrie Kugelsternhaufen (GC) alle Sterne haben dieselbe Distanz M 55 CFHT: 100 Lichtjahre Durchmesser / 100.000 Sterne / 12 Mrd. Jahre alt Canada France Hawaii Telescope FV-Diagramm Asympt. Riesenast AGB RR Lyrae HorizontalAst (He-Fusion) Knie Riesen-Ast (Schalen) Hauptreihe (H-Fusion) Brennphasen im HRD Asymptotischer Riese Horizontal-Ast Roter Riese Weiße Zwerge Hauptreihe 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. FV-Diagramm offener Sternhaufen Alter Hertzsprung-Lücke Lebensdauer HRD Sternhaufen Unsere Sterne der Sonnenumgebung Überriesen Rote Riesen Grafik: Abriss der Astronomie Zweiter Teil HRD Radien 9. Mai 2017 Hertzsprung & Russell (1913) Leuchtkraft als Funktion der SternTemperatur Sterne bevölkern nur gewisse Äste 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'. 1 Mrd. Sterne mit Gaia 2016 HRD 1 Jahr Gaia 2016 Plejaden / Messier 45 Plejaden nur bis zu A-Sternen 3000 Sterne - Alter: 100 Mio. Jahre Die Distanz zu Plejaden Hipparcos lag daneben Grafik: Camenzind Gaia 2016 Kugelsternhaufen M 92 – G-Sterne Alterssequenzen 8–15 Gyr Knie log(6000) = 3,778 log(7000) = 3,845 Temperatur-Skala in Physik • Temperatur physikalisch in Grad Kelvin • Die Kelvin Temperatur-Skala ist ähnlich zur Celsius-Skala, jedoch beginnt sie bei -273,15o. – Diese Temperatur “absoluter Nullpunkt”. -273 oC -173 oC 0 oC 100 oC 1000 oC 0K 100 K 273 K 373 K 1273 K Kelvin = Celsius + 273 B-V Effektiv-Temperatur 50.000 K ist eine obere Grenze für Sterne Warum? L = 4π R2 σT4 Linien mit R = const Stephan-Boltzmann: Radien im HRD Radien HertzsprungRussell Diagramm Stephan-Boltzmann: L = 4π R2 σT4 R = const Planeten - Sterne im Vergleich Rote Überriesen A red supergiant ends its life as a type II supernova (bottom left) in a spiral arm of M74 Ein Cluster von roten Überriesen Leuchtkraft Klassen Ia Hyperriesen Ia Ib Ib Überriesen II II Helle Riesen III Riesen III IV IV Unterriesen V V Hauptreihen Sterne Weiße Zwerge Massen im HRD Hauptreihe: Eine Sequenz in der Masse Erklärung: die Sequenz des H-Brennens WZ: Sequenz in T mit Radius konst Die Alter-Null Hauptreihe im HRD Entwicklung der Superriesen Blaue Überriesen mit Rotem Überriesen in NGC 4755 VLT/ESO HRD Massen-Sequenzen Eddington Grenze 100 Sonnenmassen Braune Zwerge Proxima Centauri Größe der Roten & Braunen Zwerge M Zwerg Jupiter L Zwerg MethanT Zwerg 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 Die sonnennächsten Sterne Luhman 16ab mit WISE 2013 entdeckt; p = 495+-5 mas d ~ 6,58 LJ MA = 0,04 MS MB = 0,03 MS P ~ 25 Jahre Winkeld = 1,5´´ a ~ 3 AE H = 9,56 mag 15 Lichtjahre 5 Lichtjahre Luhman 16B VLT Aufnahmen Atmosphäre ~ Jupiter Temp: ~ 1000 K Rot Periode: 5h Eisen-Regen 2,4 hr 3,2 hr 1,6 hr 0,8 hr 0,0 hr ESO Presse Release 2014 4,1 hr Roter T Zwerg Luhman 16B ~ Jupiter? Zusammenfassung • Sterne können am besten an Sternhaufen untersucht werden. alle haben gleiche Distanz. • Sterne bilden bestimmte Äste im FV- und HRDiagramm 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.
