Κοσμάς Γαζέας Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών

Αστρικά Συστήματα και Γαλαξίες

Κοσμάς Γαζέας Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών

Αστρικά Σμήνη Οι ομάδες των αστέρων

Είναι ομάδες αστέρων οι οποίες:

• Καταλαμβάνουν σχετικά μικρό χώρο στο διάστημα

• Αλληλεπιδρούν μεταξύ τους

• Διατηρούν τη δυναμική συνοχή τους για μεγάλα χρονικά διαστήματα

• Τα μέλη τους έχουν ίδια ηλικία, απόσταση, χημική σύσταση αλλά διαφορετική μάζα

Αστρικά σμήνη

Κατηγορίες αστρικών σμηνών

Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες αστρικών σμηνών: • Τα ανοικτά σμήνη (νεαρά, με λίγα μέλη, ακανόνιστο σχήμα) • Τα σφαιρωτά σμήνη (γηραιά, με πολλά μέλη, σφαιρικό σχήμα)

Κατηγορίες αστρικών σμηνών

• Ανοικτά

• Σφαιρωτά

Νεαρά

Γηραιά

Μεγάλης μεταλλικότητας

Μικρής μεταλλικότητας

• Ανοικτά σμήνη: μόνο σε σπειροειδείς και άμορφους γαλαξίες (όπου υπάρχουν περιοχές αστρικής δημιουργίας)

• Σφαιρωτά σμήνη: σε όλα τα είδη γαλαξιών

Χωρική κατανομή σμηνών

• Τα νεαρά (ανοικτά) σμήνη βρίσκονται κυρίως στο γαλαξιακό επίπεδο γι’ αυτό και λέγονται και γαλαξιακά σμήνη.

• Τα γηραιά (σφαιρωτά)

σμήνη κατανέμονται σφαιρικά

γύρω από το κέντρο του Γαλαξία

μας σε σφαίρα διαμέτρου

περίπου 50 kpc (η ταχύτητα

περιστροφής του συστήματος

των σμηνών φθάνει τα 80 km/s).

Χωρική κατανομή σμηνών στον Γαλαξία μας

• Δημιουργούνται μέσα σε τεράστια μοριακά νέφη

Δημιουργία και εξέλιξη των σμηνών

Σφαιρωτά σμήνη

Το σφαιρωτό σμήνος NGC 6934

Σφαιρωτά σμήνη Έχουν μεγάλη αστροφυσική σημασία διότι: • παρατηρούνται σε όλους τους τύπους γαλαξιών

• θεωρούνται «απολιθώματα» της εποχής δημιουργίας του γαλαξία

• παίζουν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο στην κατανόηση της αστρικής δομής και εξέλιξης των αστέρων (μοντέλα αστρικής εξέλιξης)

• η διαδικασία δημιουργίας τους παραμένει σε πολλά σημεία άγνωστη

• τα σφαιρωτά σμήνη του Γαλαξία μας είναι πολύ παλαιά αντικείμενα, των οποίων η ηλικία μπορεί να εκτιμηθεί με σχετικά μεγάλη ακρίβεια.

• η ηλικία των σφαιρωτών σμηνών αποτελεί ένα σημαντικό κατώτερο

όριο για την ηλικία του σύμπαντος.

Σφαιρωτά σμήνη

• Τα σφαιρωτά σμήνη είναι σχεδόν σφαιρικές συγκεντρώσεις από ~100.000 έως ~1.000.000 αστέρες διαφορετικών μαζών, αλλά που έχουν πρακτικά την ίδια ηλικία και χημική σύσταση και που επομένως πρέπει να έχουν δημιουργηθεί σχεδόν ταυτόχρονα από το ίδιο γιγάντιο μοριακό νέφος.

• Τα μέλη ενός σφαιρωτού σμήνους έχουν δυναμική συνοχή (είναι δεσμευμένα στο βαρυτικό πεδίο του σμήνους). Τα μέλη του σμήνους κινούνται σε τροχιές γύρω από το κέντρο του σμήνους.

• Περίπου 160 σφαιρωτά σμήνη έχουν βρεθεί στον Γαλαξία μας.

• Σφαιρωτά σμήνη υπάρχουν στην άλω του Γαλαξία μας, στον δίσκο αλλά και στο κεντρικό «εξόγκωμα».

• Από την χημική σύσταση των σφαιρωτών σμηνών μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα για την χημική εξέλιξη ενός γαλαξία

• Το 1:4 των σφαιρωτών σμηνών προέρχονται από γειτονικούς γαλαξίες (αλληλεπιδράσεις μεταξύ γαλαξιών)

• Ο Shapley χρησιμοποίησε μεταβλητούς τύπου RR Lyr σε σφαιρωτά σμήνη για να βρει τις αποστάσεις τους

• Βρήκε μια περίπου σφαιρική κατανομή

• Ταύτισε το κέντρο της κατανομής αυτής με το κέντρο του Γαλαξία

Είναι η πρώτη μέτρηση της απόστασης του Ήλιου από το κέντρο του Γαλαξία

Σφαιρωτά σμήνη

Πολύ σημαντικός ο ρόλος του HST στη μελέτη των σφαιρωτών σμηνών

Σφαιρωτό σμήνος χωρίς μελανή οπή Σφαιρωτό σμήνος με μελανή οπή

Από παρατηρήσεις σφαιρωτών σμηνών είναι δυνατόν να αποκαλυφθεί

η ύπαρξη μελανής οπής στο κέντρο τους και να υπολογιστεί η μάζα της

Ανοικτά σμήνη

Το ανοικτό σμήνος Μ45 (Πλειάδες)

Ανοικτά σμήνη Έχουν ιδιαίτερη αστροφυσική σημασία διότι: • παρατηρούνται μόνο σε σπειροειδείς και άμορφους γαλαξίες (όπου υπάρχουν περιοχές αστρικής δημιουργίας με σκόνη και αέρια)

• βρίσκονται στην περιοχή του γαλαξιακού δίσκου και όχι στην άλω. Αυτό βοηθά στη χαρτογράφηση του γαλαξιακού δίσκου και των σπειρών του

• είναι νεαρής ηλικίας (συνήθως μικρότερης από 2-3 Gyr)

• διαθέτουν μεγάλη σχετικά μεταλλικότητα

• οι αστέρες-μέλη συγκρατούνται με ασθενείς βαρυτικές δυνάμεις

• τα μέλη τους κινούνται όλα προς μία διεύθυνση και είναι εύκολο να τα διακρίνουμε από τους αστέρες στο υπόβαθρο του ουρανού

• Απεικόνιση

• Φασματοσκοπία

• Αστρομετρία

• Φωτομετρία

Παρατηρήσεις των σμηνών

• Απεικόνιση

Παρατηρήσεις των σμηνών

• Φασματοσκοπία

Παρατηρήσεις των σμηνών

• Φασματοσκοπία

Φάσμα νεαρού σμήνους

Φάσμα γηραιού σμήνους

Peacock, Mark B. et al. ApJ 769,2013, 126

• Αστρομετρία

Παρατηρήσεις των σμηνών

RA

Dec

• Φωτομετρία

CMD διάγραμμα

(Color-Magnitude Diagram)

Παρατηρήσεις των σμηνών

• Φωτομετρία

CMD διάγραμμα

(Color-Magnitude

Diagram)

Παρατηρήσεις των σμηνών

• Φωτομετρία

Χάσμα Hertzsprung

Παρατηρήσεις των σμηνών

• Φωτομετρία

Παρατηρήσεις των σμηνών

• Φωτομετρία

Παρατηρήσεις των σμηνών

• Φωτομετρία

Χαρακτηριστική

μορφή του CMD

για γηραιό σμήνος

Παρατηρήσεις των σμηνών

• Μεσοαστρική ερύθρωση Ε(B-V)=(B-V)-(B-V)0

• Μεσοαστρική απορρόφηση ΑV=3.2 Ε(B-V)

Διάγραμμα χρώματος-χρώματος (Color-Color Diagram)

Προσδιορισμός απόστασης σμήνους

• Προσαρμογή ΚΑ

• Mέτρο απόστασης

m-M=5logr-5+Av

• Εύρεση του r σε pc

Προσδιορισμός απόστασης σμήνους

• Σχέση περιόδου-λαμπρότητας των Κηφείδων

• m-M=5logr-5+Av

ΗR διάγραμμα που δείχνει την

εξέλιξη ενός αστέρα μάζας 1Μʘ

ΗR διάγραμμα που δείχνει ένα

στιγμιότυπο από τη ζωή ενός

συστήματος από αστέρες ίδιας

ηλικίας αλλά διαφορετικών μαζών

Εκτίμηση της ηλικίας σμήνους

Από το σημείο εκτροπής από την Κύρια Ακολουθία (ΚΑ) στο διάγραμμα HR των σμηνών μπορούμε να υπολογίσουμε προσεγγιστικά την ηλικία των σμηνών με βάση τις θεωρίες της αστρικής εξέλιξης. Η ακριβής θέση του σημείου εκτροπής της ΚΑ εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό και από την περιεκτικότητα των αστέρων του σμήνους σε μέταλλα.

Αφθονία:

Χ: υδρογόνο (Η) Υ: ήλιο (He) Z: μέταλλα (οτιδήποτε βαρύτερο)

Χ+Υ+Ζ=1

Εκτίμηση της ηλικίας σμήνους από το σημείο εκτροπής της ΚΑ

Effective temperature

Lu

min

osit

y

• Θεωρητικές τροχιές εξέλιξης ενός αστέρα πάνω στο διάγραμμα HR

• Εξαρτώνται από τη μάζα και τη μεταλλικότητα του αστέρα

Θεωρητικές Ισόχρονες

Θεωρητικές ισόχρονες καμπύλες

Οι λεγόμενες θεωρητικές ισόχρονες (για

μία συγκεκριμένη μεταλλικότητα)

προκύπτουν από τα εξελικτικά μονοπάτια

(evolutionary tracks) αστέρων διαφορετικής

μάζας.

Το εξελικτικό μονοπάτι ενός αστέρα είναι η

καμπύλη που ακολουθεί ο αστέρας αυτός

πάνω σε ένα διάγραμμα HR καθώς περνά

από τα διαφορετικά εξελικτικά στάδια.

Τα εξελικτικά μονοπάτια κατασκευάζονται

με βάση έναν κώδικα αστρικής εξέλιξης,

που υπολογίζει την χρονική εξέλιξη ενός

αστρικού μοντέλου για μια δεδομένη μάζα

και μεταλλικότητα.

• Προσαρμογή ισόχρονων εκτίμηση σχετικής ηλικίας σμήνους

Θεωρητικές Ισόχρονες

Gazeas & Petropoulou (in prep.)

Gazeas & Petropoulou (in prep.)

Gazeas & Petropoulou (in prep.)

Gazeas & Petropoulou (in prep.)

Συνοπτικά…

Πληροφορίες που εξάγονται από τη μελέτη των αστρικών σμηνών:

• Σχετική ηλικία

• Αστρική εξέλιξη

• Μεταλλικότητα

• Μεσοαστρική απορρόφηση και ερύθρωση

• Απόσταση (RR Lyr, Κηφείδες, προσαρμογή ΚΑ)

• Ένδειξη για τη θέση του κέντρου του Γαλαξία μας

• Προσδιορισμός της θέσης των σπειρών του Γαλαξία (ανοικτά σμήνη)

• Η κατανομή και οι ιδιότητες των σφαιρωτών σμηνών μας δίνουν

πληροφορίες για τη σκοτεινή γαλαξιακή ύλη καθώς και για τη

διαδικασία σχηματισμού του Γαλαξία

• Τα σφαιρωτά σμήνη έχουν ιδιαίτερη κοσμολογική σημασία διότι

θέτουν ένα κάτω όριο ηλικίας του Σύμπαντος (περίπου 13.7 δις έτη)

Ύλη του μαθήματος

ΓΕΝΙΚΗ ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ Ι

Οι παραπάνω διαφάνειες αναπτύσσονται στο παραπάνω βιβλίο

στις σελίδες 492-502.

"Το Σύμπαν που αγάπησα-Εισαγωγή στην Αστροφυσική" Μ. Δανέζη και Ε. Θεοδοσίου, Εκδόσεις Δίαυλος

Αστρικά Σμήνη