Как определить возраст звездных скоплений кратко
Обновлено: 28.06.2024
После столетий наблюдения за ночным небом в телескопы мы довольно много знаем о звездах. Астрономы могут определить ключевые характеристики каждой звезды, такие как ее масса и состав. Но как они это делают?
Даже, казалось бы, хорошо изученные звезды время от времени могут удивлять ученых. В 2019 году, когда красная сверхгигантская звезда Бетельгейзе в созвездии Ориона потускнела, астрономы не были уверены: она переживает очередную фазу жизни или неизбежен взрыв сверхновой. Оказалось, что это был всего лишь этап в жизни звезды. Расчеты, основанные на физике и косвенных измерениях возраста звезд, могут дать астрономам приблизительные оценки. Некоторые методы лучше подходят для разных типов звезд. Вот три способа вычисления возраста звезд астрономами.
Диаграммы Герцшпрунга-Рассела
Ученые довольно хорошо понимают, как формируются звезды, как они живут и как умирают. Например, звезды сжигают водородное топливо, в конечном итоге раздуваясь и выбрасывая газы в космос. Иногда при большом взрыве (называемом сверхновой). Но когда именно происходит каждый этап жизненного цикла звезды? Мы этого не знаем. В зависимости от массы некоторые звезды достигают этой точки в разном возрасте. Более массивные звезды горят сильнее и умирают молодыми, в то время как менее массивные звезды расходуют свое топливо медленнее и могут существовать миллиарды лет.
На рубеже 20-го века два астронома, Эйнар Херцшпрунг и Генри Норрис Рассел, независимо друг от друга придумали идею построения графика зависимости температуры звезд от их яркости. Паттерны на диаграммах Герцшпрунга-Рассела соответствовали тому, где каждая звезда находилась в своем жизненном цикле. Сегодня ученые используют эти закономерности для определения возраста звездных скоплений, в которых, как считается, они образовались в одно и то же время.
По химсоставу, массе, температуре поверхности, светимости и ее окружению (в плотных шаровых скоплениях звезды эволюционируют немного по другому, чем на окраине галактики например) . Есть модели строения звезд, в них подставляются текущие данные и делают расчет, когда эта звезда могла образоваться.
Время жизни на главной последовательности и начальная светимость звезды зависят от массы.
Светимость изменяется по экспоненте от времени.
Зная массу и текущую светимость, можно определить возраст.
Астрономам важно знать возраст звезд, чтобы провести различные исследования. Эта информация влияет, как на изучение эволюции Вселенной, так и каждого объекта в отдельности. Например, понимание возраста конкретной звезды позволяет определить успела ли развиться жизнь в ее планетарной системе. Но как ученые способны узнать звездный возраст?
На самом деле, этот процесс может быть довольно сложным, но существует определенная схема. Проще всего разобраться со звездными объектами, которые существуют в скоплениях. Ведущая теория гласит, что звезды в скоплениях появились из одного материала и примерно в одно время. Поэтому состав и возраст этих объектов должны быть схожими.
Жизненный цикл звезды
Можно выделить два главных типа скоплений: шаровые и рассеянные. Первые представляют собою скопления древних объектов, которые по возрасту достигают возраста самой Вселенной. А вот рассеянные скопления включают в себя огромный диапазон возрастов, среди которых есть и юные объекты.
Когда у вас есть целое скопление, то вы наносите на карту цвета и яркость звезд, формируя шаблон. Речь идет о диаграмме Герцшпрунга — Рассела. В ней числятся также спектральный класс и температура звезды. Далее следуем за звездной эволюцией. В определенный период звезды достигают взрослой фазы, переходя на этап главной последовательности. Длительность этой фазы зависит от массы звезды.
Как только создадим график и внесем все необходимые данные, можно определить массу звезд, заканчивающих фазу главной последовательности и переходящих к этапу красных гигантов. Далее в ход вступают компьютерные модели, которые предсказывают, какой возраст у этих звезд в зависимости от массы.
То есть, главную роль здесь играют наблюдения и понимание строения и эволюции звезд. Ученые знают, насколько быстро протекают ядерные реакции внутри звезды, когда осуществляется переход и сколько он длится. Чем массивнее звезда, тем короче длительность каждой стадии. Поэтому можно установить пределы звездного возраста на конкретной стадии.
Однако существуют звезды, которые не входят в состав скоплений. Их возраст определить намного сложнее. Здесь приходится полагаться на спектральный анализ. Изучение спектров выводит нас на состав. Так как звездное развитие заключается в трансформации водорода в гелий, то соотношение этих элементов выведет нас на примерный возраст: чем больше возраст, тем меньше водорода и больше гелия.
Но провести расчет все равно сложно, потому что в ходе эволюции звездный состав меняется, а масса сокращается. А ведь скорость трансформации водорода в гелий зависит от массы и состава звезды. Поэтому исследователям приходится восстанавливать чуть ли не всю историю звезды, затем учесть массу, состав, светимость и провести расчеты. И все это основывается на нашем понимании общего эволюционного пути для всех звезд.
Важно понимать, что все указанные для звезд цифры возрастов – лишь примерные, и они уточняются с улучшением методов наблюдения и расчетов. Например, в одном из последних исследований ученые попытались проследить зависимость между возрастом звезды и скоростью вращения. Команда считает, что вращение должно замедлиться с течением времени. Чтобы это проверить, нужно провести исследования на звездах в скоплениях. Если идея сработает, то будет намного проще узнать возраст одиноких звезд.
Для этого используются различные методы и инструменты. оценка звездного возраста, попытка определить с разумной степенью уверенности возраст звезды. К этим методам относятся звездные эволюционные модели, членство в данной звездное скопление или же система, оснащая звезду стандартным система классификации спектров и светимости, а наличие протопланетный диск, среди прочего. Практически все методы определения возраста требуют знания массы звезды, которую можно узнать с помощью различных методов. Ни один отдельный метод не может дать точных результатов для всех типов звезд. [2]
Содержание
Увеличение светимости и диаграмма Герцшпрунга – Рассела.
По мере того как звезды стареют, их светимость увеличивается с заметной скоростью. [3] Учитывая массу звезды, можно использовать эту скорость увеличения светимости, чтобы определить возраст звезды. Этот метод работает только для расчета звездного возраста на главная последовательность, потому что на продвинутых стадиях эволюции звезды, таких как красный гигант Этап стандартные отношения для определения возраста больше не выполняются. Однако, когда можно наблюдать звезду красного гиганта с известной массой, можно вычислить время жизни на главной последовательности: [4] Таким образом, минимальный возраст звезды известен, учитывая, что она находится на продвинутой стадии своей эволюции. Поскольку звезда тратит только около 1% своего общего времени жизни в качестве красного гиганта, [5] это точный метод определения возраста.
Оценка звездного возраста звезд
Для определения возраста также можно использовать различные свойства звезд. Например, Eta Carinae система выделяет большое количество газа и пыли. Эти огромные вспышки могут быть использованы, чтобы сделать вывод о том, что звездная система приближается к концу своего существования и взорвется как сверхновая звезда в течение относительно короткого периода астрономического времени. [6] Очень большие звезды вроде VY Canis Majoris, один из известные крупнейшие звезды, вместе с NML Cygni, VX Стрелец и Трамплер 27-1 все они имеют радиус больше, чем средний радиус орбиты Юпитер в Солнечная система, тем самым показывая, что они находятся на крайне поздних стадиях эволюции. [7] Бетельгейзе в частности, ожидается, что он умрет в результате взрыва сверхновой в течение следующего миллиона лет. [8]
Помимо сценариев сверхмассивных звезд, которые перед смертью яростно сбрасывают свои внешние слои, можно найти другие примеры свойств звезд, которые иллюстрируют их возраст. Например, Цефеид переменные имеют характерный образец в своих световые кривые, частота повторения которых зависит от светимости звезды. [9] Поскольку переменные цефеиды представляют собой относительно короткий этап эволюции в жизненном цикле звезд, а знание массы звезды позволяет проследить ее эволюционный путь, можно оценить возраст переменной цефеиды.
Исключительные звездные свойства, позволяющие оценить возраст, не ограничиваются продвинутыми стадиями эволюции. Когда звезда примерно с солнечной массой Изменчивость Т Тельца, астрономы могут определить возраст звезды как до начала главная последовательность фаза жизни звезды. [10] Кроме того, могут быть обнаружены более массивные звезды до главной последовательности. Herbig Ae / Be звезды. [11] Если красный карлик звезда испускает необъятные звездные вспышки и рентгеновские лучи, можно рассчитать, что звезда находится на ранней стадии своего существования на главной последовательности, после чего она станет менее изменчивой и станет стабильной. [12]
Членство в звездном кластере или системе
Членство в звездное скопление или же звездная система позволяет отнести приблизительный возраст к большому количеству звезд, присутствующих внутри. Когда можно определить возраст звезд с помощью других методов, таких как перечисленные выше, можно определить возраст всех тел в системе. [13] Это особенно полезно для скоплений звезд, которые демонстрируют большое разнообразие своих звездных масс, стадий эволюции и классификации. В то время как не полностью Независимо от свойств звезд в скоплении, системе или другой ассоциации звезд разумного размера, астроному потребуется только репрезентативная выборка звезд для определения возраста скопления, а не кропотливое определение возраста каждой звезды в скоплении. кластер через другие свойства.
Кроме того, знание возраста одного члена звездной системы может помочь определить возраст этой системы. В звездной системе звезды почти всегда образуются одновременно друг с другом, и, учитывая возраст одной звезды, можно узнать возраст всех остальных. [14]
Однако этот метод не работает для галактики. Эти единицы намного больше, и они не просто одноразовое творение звезд, которое позволяет таким образом определять их возраст. Создание звезд в галактике происходит в течение миллиардов лет, [15] даже если производство звезд, возможно, уже давно прекратилось (см. эллиптическая галактика). Самые старые звезды в галактике могут определять только минимальный возраст галактики (когда началось звездообразование), но ни в коем случае не определять фактический возраст. [16]
Наличие протопланетного диска
Наряду с другими факторами наличие протопланетный диск устанавливает максимальный предел возраста звезд. Звезды с протопланетными дисками, как правило, молодые, они сравнительно недавно перешли на главную последовательность. [17] Со временем этот диск срастается, образуя планеты, при этом остатки материала откладываются в различные пояса астероидов и другие подобные места. Однако наличие планеты-пульсары усложняет этот метод как детерминант возраста.
Гирохронология
Гиро-хронология - это метод определения возраста звезды поля измеряя скорость их вращения, а затем сравнивая эту скорость со скоростью вращения Солнца, которое служит предварительно откалиброванными часами для этого измерения. [18] Этот метод считается более точным методом определения звездного возраста, чем другие методы для звезд поля. [18]
Читайте также: