Hertzsprung-Russel diagram: Hovedserietilpasning for stjernehoper

Hvis du synes konvergenspunktmetoden var komplisert og vanskelig kan du puste lettet ut, neste metode er betydelig enklere å forstå.

Dette er et HR diagram som viser mønsteret som trår frem når vi plotter temperatur og lysstyrken til stjerner på samme avstand. (VitNytt)

Lyset fra stjernene er stort sett den eneste kilden vi har til rådighet når vi vil studere stjernene. Heldigvis er det overraskende mange egenskaper ved stjerner vi kan finne ut av bare ved å studere fotonene den sender ut (bl.a. fysisk størrelse, temperatur, masse og lysstyrke). Når vi kartlegge egenskapene til stjernene bruker vi Hertzsprung-Russel diagram. Det er et skjema med en egenskap langs x-aksen og en annen egenskap langs y-aksen. Når vi plotter inn verdier for stjernene vi observerer trår det frem spesielle mønstre nesten uansett hvilke egenskaper du bruke og dette kan vi bruke til å bedømme avstander med.

Metoden du vil lese om nå kan brukes på individuelle stjerner med gir mest nøyaktig resultat med stjernehoper. Det var derfor det var så viktig å bestemme avstanden til den nærmeste stjernehopen med konvergenspunktmetoden. Hovedserietilpasning for stjernehoper gjør at vi kan måle avstander med rimelig sikkerhet opp til 50.000 lysår unna! Melkeveien er 100.000 lysår i diameter og denne metoden kan dermed brukes nesten overalt i melkeveien så fremt du finner en stjernehop å måle med!

Den mest kjente varianten av Hertzsprung-Russel diagram er med temperatur langs x-aksen og lysstyrke langs y-aksen.

Dette HR diagrammet forteller oss hvor lyssterk ei stjerne er hvis vi vet temperaturen på den. Før vi kan bruke HR diagram må det kalibreres. Lysstyrken varierer med avstanden og for at et slikt skjema skal ha noen nytte må alle stjernene ha samme avstand. I avsnittet om Magnituder og størrelsesordner (lysstyrke) ble absolutte størrelsesordner definert. Lysstyrke måles i størrelsesordner (engelsk: magnitudes) og den absolutte størrelsesordnen er lysstyrken ei stjerne ville ha hvis den befant seg 10 parsec (32.6 lysår) unna. Hvis du ikke har lest artikkelen om Forholdet mellom lysstyrke og avstand enda bør du gjøre det nå, da den spiller en essensiell rolle i denne metoden.

Her er dataene til den observerte stjernehopen lagt inn i samme skjema som den ideelle stjernehopen på 10 parsec (32.6 lysår). (VitNytt)

Et foton som blir produsert inne i ei stjerne har en lang vei foran seg før det slipper ut. Faktisk bruker fotoner flere tusen år på å bevege seg fra sentrum og ut av ei stjerne men mer om det i en annen artikkel. Overflaten på ei stjerne er ikke enkel å definere. Stjerner er bare en stor klump med gass der temperaturen generelt avtar med radiusen. Når du ser på et bilde av overflaten til Solen markerer overflaten skillet mellom gjennomsiktig og ugjennomsiktig gass. Dette skillet varierer med hvilke bølgelengder du observerer med og øynene våre har sine bølgelengder vi ser best på. Hadde du sett andre bølgelengder hadde solen sett enten mindre eller større ut. Det er viktig å forstå at gassen som utgjør stjernen ikke "stopper" ved fotosfæren.

Fotonene fra stjerner dekker et stort spekter av bølgelengder og på vei bort fra stjernen kan det hende fotoner blir fanget av omkringliggende gassatomer. Hvilke fotoner med hvilken bølgelengde som fanges opp er avhengig av temperaturen av gassen. Hydrogen fanger fotoner med en viss bølgelengde og er mest effektiv når temperaturen er på mellom 4.000 og 12.000 grader. Helium fanger opp andre bølgelengder og er mest effektiv hvis temperaturen ligger mellom 15.000 og 30.000 grader. Når vi analyserer bølgelengden på fotonene fra ei stjerne vil vi derfor legge merke til at enkelt bølgelengder er underrepresentert, de er fanget opp av forskjellige atomer rundt stjernen. Ved å studere akkurat hvor mye som "mangler" på forskjellige bølgelengder kan man bestemme temperaturen ganske nøyaktig.

Når du så plotter inn temperaturen og den observerte lysstyrken til en stjernehop vil du få et mønster som er nesten akkurat likt det "ideelle" mønsteret konstruert fra stjerner med kjent lysstyrke (absolutte lysstyrker). Temperaturen til ei stjerne vil være den samme uansett hvor langt unna stjernen befinner seg, det er bare lysstyrken som er mindre. Du vil derfor se en ren vertikal forskyvning av hovedserien til den observerte stjernehopen i forhold til den ideelle modellen.

I figuren ser du de to hovedseriene tegnet inn i samme HR diagram. Den eneste forskjellen mellom de to er at den observerte stjernehopen lyser svakere enn den ideelle stjernehopen. Denne forskjellen i lysstyrke er direkte korrelert med avstanden! Hadde den observerte stjernehopen ligget 10 parsec unna ville de to seriene overlappet hverandre.

Ved å bruke uttrykket for avstand i artikkelen "Forholdet mellom lysstyrke og avstand" finner vi avstanden til den observerte stjernehopen. Den vertikale avstanden er (m-M) i uttrykket.

avstand i parsec = (10 parsec) x 10^(m-M)/5 = (10 parsec) x 10^{((-1)-(-9))/5} = (10 parsec) x 10² = 10 parsec x 100 = 1000 parsec

Stjernehopen er omtrent 10 størrelsesordner svakere enn den ideelle stjernehopen og befinner seg derfor 1000 parsec (3260 lysår) unna.

Med denne metoden kan vi beregne avstanden til stjernehoper opptil 50.000 lysår unna. Det dekker som vi vil se en stor del av melkeveien. Det er også mulig å bruke denne metoden på enkeltstjerner men med større usikkerhet.

De åpne stjernehopene Pleiadene og Hyadene ligger begge i nærheten av stjernebildet Tyren. (VitNytt)

Hva finner vi inntil 50.000 lysår unna?

Vi har nå kommet betraktelig lengre enn de 130 lysårene vi kunne måte med metodene i den første artikkelen. Nærmere enn 130 lysår finner vi bare et par hundre stjerner av de rundt 4500 det er mulig å se fra den nordlige halvkule. Går vi derimot dobbelt så langt ut finner vi de aller fleste. Antallet stjerner innenfor en radius på 250 lysår er 260.000 og av dem er det altså bare 4500 vi kan se med det blotte øyet.

150 lysår unna ligger stjernehopen Hyadene som består av minst 300 stjerner. Den ligger i samme retning som stjernen Aldebaran i stjernetegnet Tyren, men Aldebaran ligger bare 120 lysår unna og er ikke en del av gruppen. Hyadene er lett synlige på himmelen, det er de som er hodet til Tyren. I nærheten av Tyren finner vi også en annen åpen stjernehop, Pleiadene, eller De Syv Søstre som de også blir kalt. Vi kjenner til over 1100 åpne stjernehoper som Hyadene i melkeveien men det finnes mange flere, kanskje så mange som 100.000.

Melkeveien er en spiralgalakse med armer som går utover som i en spiral fra sentrum. Den er flat som en pannekake men i sentrum er den kuleformet Vi har naturlig nok ikke et bilde av melkeveien sett ovenifra men vi vet den generelle strukturen blant annet hvor mange armer det er.

Solen befinner seg to tredjedeler ut fra sentrum og bruker 300 millioner år på en runde rundt galaksen. Dette er egentlig ganske raskt. Hvis vi tenker på at solsystemet ble skapt for mellom 4 og 5 milliarder år siden så har Jorda allerede vært med på 15 rundturer. Spiralgalakser kunne kanskje vært kalt virvelgalakser for det er ikke bestandig armene er klart avgrenset fra hverander. Sola ligger i en tynn arm som heter Orion armen og måler 2000 lysår i diameter. Et par tusen lysår lengre ut finner vi Perseus armen og lengre inn mot sentrum er den store Sagittarius armen som måler rundt 4000 lysår i diameter. Selve melkeveien er 100.000 lysår i diameter. Det er usikkert akkurat hvor mange stjerner som finnes her men det er minst 200 milliarder. På mørke netter der månen er mørk eller har gått under horisonten kan man se melkeveien på som et svakt lyst belte som strekker seg over himmelen.

I sentrum av melkeveien er det et sort hull, Sagittarius A*, og den har en masse på nesten 4 millioner ganger solens. Det er vanskelig å finne ut nøyaktige verdier for størrelsen på det sorte hullet fordi vi ikke ser hullet direkte. Det vi ser er en virvel av gass rundt hullet som er flere millioner grader varmt. Diameteren på hullet er antakeligvis rundt 23 millioner kilometer. Til sammenligning er banen til merkur 58 millioner km fra solen. Til tross for den enorme størrelsen bruker den omtrent ett år på å sluke en stjerne, grensen for hvor raskt et sort hull kan ta til seg materie er overraskende lav. Det sorte hullet er omringet av ei store mengder stjerner som det er umulig å se igjennom, vi vet med andre ord ikke hva som er rett på den andre siden av oss.

En skjematisk fremstilling av melkeveien, galaksen vår. Den er ca. 100.000 lysår i diameter. (VitNytt)