Knud Erik Sørensen HAF Variable stjerner af stor historisk og praktisk betydning

Transkript

1 Variable stjerner af stor historisk og praktisk betydning 1

2 Hvorfor hedder det en cepheide? Navn efter stjernen δ-cephei Binær, 891 ly, næstnærmeste cepheide. Opdaget 1784 af Goodricke Regelmæssigt varierende lysstyrke, der skyldes fysiske pulsationer af stjernen m: 3,7 4,3 M: -3,47 Spektraltype: F5 Bruges til afstandsbestemmelse, hvor man kan observere deres pulsationsperiode 2

3 3 Afstandskvadratloven Flade 1 4 e Int 9 it ns et I = konstant 1 2 r I = intensitet, r = afstand fra lyskilde Når afstanden halveres, firedobles intensiteten

4 4 Hvad er absolut en størrelsesklasse? Tre stjerner 1 r > 10 pc dvs. m > M Standardafstand 10 pc = 32,6 ly r r r 3 r < 10 pc dvs. m < M Sammenhæng: M = m 5 log(r) r = 10 pc dvs. m = M Eksempler: Polaris: m = 1,97 og M = -3,63 Vega: m = 0,03 og M = 0,58 Solen: m = -26,8 og M = 4,76

5 Hertzsprung-Russel diagrammet Lysstyrke Logaritmisk skala Solen Lysstyrke = Luminositet = udstrålet energi pr. tid 5

6 O BAF G K M 6

7 7 Verdensbilleder Mytologiske verdensbilleder Jødedommen: Gud skabte verden på 7 dage Grækerne, indianerne, nordboerne, osv. Verdensbilleder baseret på matematiske modeller Geocentrisk: Aristoteles, Ptolemaios, (Tycho) Heliocentrisk: Kopernikus, Kepler, Galilei, Newton Solens plads i universet Filosofisk/religiøs betragtning Observationer/målinger Herschels Model 1773: On the proper Motion of the Sun and Solar System Herschel: Apex ligger i Hercules Stjernetællinger i 683 udvalgte retninger - Alle stjerner er ens, dvs. forskelle i lysstyrker skyldes alene forskelle i afstande - Alle stjerner ligger i nogenlunde lige store afstande fra hinanden

8 Tågerne Tågekataloget William, Caroline, John: 5000 tåger på nordl. og sydl. himmel William: mange af dem er selvstændige stjernesystemer Hvad er de fjerne tåger? Kant ( ): Fjerne galakser Laplaces ( ): Nye solsystemer under dannelse Herschel: Nogle er Kantske ø-universer. Tvivler på egen model Rosse og Dreyer Den 3. Jarl af Rosse, William Parsons, Birr Castle,183 cm M51, : Emil Dreyer: NGC-kataloget med objekter 1895, 1908: Dreyer, Armagh, IC-kataloget, 5086 nyopdagede objekter 8

9 Fotografiets indtog Pioneren Henry Draper ( ) Læge, amatørastronom, astrofotograf Månefoto, 1863, bedste foto indtil år 1900.Optog 1500! Optog første stjernespektrum i 1872, Vega Første fotografi af Oriontågen, 1880, med 11 refraktor, 50 min. Døde af dobbeltsidet lungebetændelse Henry Draper Memorial Enken indstiftede Henry Draper Medal, finansierede astronomisk teleskop til udfærdigelse af The Henry Draper Catalogue of stellar Spectra (HD), der i 1924 indeholdt stjerner 9

10 En samling dygtige damer 1872: Edward Pickering begynder at udarbejde Henry Draper Kataloget Henrietta Swan Leavitt Annie Jump Canon Pickerings harem Lettere døv præstedatter, godt begavet, ledte udmålingerne fra

11 11 Leavitt og den Lille Magellanske sky 1912: Leavitt udmåler fotoplader med den lille Magellanske Sky taget med 60 cm Harvard teleskop i Perus bjerge Undersøger variable stjerner, alle i samme, men ukendte, afstand Leavitt opdager: M = a log (P) + b, hvor a og b er konstanter M = absolut størrelsesklasse, P = periode i døgn Belønning : Pickering overflytter hende til andet arbejde, så hun ikke får fundet a og b! Hun må ikke blive mere berømt end han selv! Hertzsprung kalibrerer i 1913, Shapley forbedrede kaliberingen i I år efter Leavitts død fik metoden et gennembrud, og gav svaret på et gammelt spørgsmål! Læs om kalibreringerne:

12 12 Kapteyns Univers Jacobus Kapteyn ( ) Hollandsk astronom Undersøgte Mælkevejens form og størrelse, brugte straffefanger Brugte (lånte) fotografiske data for 200 jævnt fordelte områder Målte tætheden af stjerner Hans model udbredt og accepteret Konklusion: Mælkevejen er formet som en ellipsoide med Solen placeret nær centrum Kapteyns univers: Cirklen S indikerer Solens position, som er placeret i ellipsoide 5, hvor densiteten er 1/10 af den centrale densitet. Fra Astrophysical Journey, 1922.

13 Lignende modeller absorption af lys Andre modeller Hugo von Seeliger: Som Kapteyns, men noget mindre univers Karl Schwarzschild: Som Kapteyns, men mere fladtrykt Metode og problemer Lysstyrken falder med kvadratet på afstanden Mælkevejen er transparent Problem: Absorption af lys undervejs Kendt fra 1871: Rayleigh-spredning: Korte bølger spredes mest, dvs. rødforskydning Smart Kapteyn: Fotografiske plader mere følsomme end øje i blåt, men ingen observeret forskel i rødt! altså ingen aktiv rødforskydning! Robert Trumpler, 1930 Absorption skyldes støv - næsten bølgelængdeuafhængig 13

14 14 Shapleys univers: I Kugleformede stjernehobes afstande 1914: Shapley måler afstande til kuglehobe langt uden for Kapteyns univers! Kapteyn tror ikke på resultaterne Shapley: Så er det ø-universer Kuglehobene afslører Solens plads i Mælkevejen 1918: Shapley kan vise: universet er mindst 10 gange så stort som Kapteyns univers Shapleys metoder vedr. kuglehobe: * samme fysiske diameter afstanden omvendt prop. m. angulære diameter, * samme luminositet afstanden omvendt prop. m. kvadratroden af fluxtæthed Samme resultat, uanset metode! Undersøgte 93 kugleformede stjernehobe ingen tæt nok på til parallaksemåling

15 Shapleys univers: II 15

16 16 Mælkevejens størrelse og Solens placering Den store debat, 1920 Universet: Curtis: de observerede spiraltåger er fjerne galakser Shapley: spiraltågerne er fjerne gasskyer i én stor galakse. Solen: Curtis: Solen er universets centrum i en lille galakse Shapley: Solen langt væk fra centrum i en universel galakse Shapley havde ikke mange tilhængere forud for debatten Slipher målte dopplerforskydning af M31: 300 km/s. Van Maanen påstod at kunne måle omløbstid for stjerner i M33 til til år! Debatten afgjorde ikke striden man manglede en måling af store afstande Herunder afstanden til Andromeda-tågen

17 Hubble og Andromedagalaksen Hubble fandt cepheider i spiralgalakser Var for variable. Bemærk! Afstandene viste, at galakser var selvstændige stjernesystemer mio. af lysår væk Det afgjorde striden fra den store debat i Ingen havde helt ret! Hubble brugte M = - 2,5 log(p) 0,3, der var bestemt ud fra cepheider i kuglehobe, der er population II stjerner, og fandt, at afstanden til Andromedagalaksen var 1,3 mio. ly. De udmålte cepheider var spiralarmscepheider, der er population I stjerner Populationsbegrebet og interstellar absorption var ukendte begreber i 1924! 17

18 Populationsbegrebet kendt fra begyndelsen af 1950'erne 18

19 Universet blev dobbelt så stort i 1952 Ingen cepheider var tæt nok på til trigonometrisk afstandsbestemmelse Shapley brugte statistisk parallakse til at bestemme absolut magnitude Man kendte ikke til interstellar absorption Man troede, at cepheider i galakseskiver og W Virginis stjerner i kuglehobe havde samme egenskaber Resultat: Cephiders luminositet blev vurderet alt for lave 1952: Baade opdagede ved undersøgelse af M31 med 200 teleskop, at M for cepheider var sat 1,5 for store, dvs. afstanden til M31 skulle fordobles Ekstragalaktiske afstande var kalibreret ud fra M31, altså var alle afstande dobbelt så store, som man hidtil havde regnet med! 19

20 20 To slags cepheider Der er to slags cepheider. Fælles er, at de pulserer med stor tidspræcision Type I (er population I-stjerner): klare kæmper, type F og G samt superkæmper med -2<M<-6. Har bevæget sig bort fra hovedserien, store og ret unge! Type II (er population II-stjerner): kaldes også W Virginis, er 2 størrelsesklasser svagere end type 1. Har bevæget sig bort fra hovedserien, - eller RR Lyræ stjerner i kugleformede stjernehobe. Type A eller F

21 21 Variable stjerner og nomenklatur Muligheder: Periodiske Semiperiodiske Irregulære Tidsskalaer: få minutter til adskillige århundreder Argelander Bonner Durchmusterung, indførte den nu brugte nomenklatur: Store bogstaver fra det latinske alfabet med konstellationens navn i genitivform, startende med R...Z, herefter RR...ZZ, AA...ZZ, J bruges ikke. Plads til 334 variable. Yderligere behov: V335, V336, osv. Eksempler: R Aquarii, UX Aurigae, V373 Cassiopeiae Variabel eller ej: Ved usikkerhed: nummer, årstal og konstellation, f.eks Aquilae

22 22 Variable stjerners historie Antal kendte variable stjerner Middelalderen: ingen. Himlen er uforanderlig! 1572: Tychos Stella Nova 1638: Mira klassificeres som en periodisk Stella Nova af Holwarda 1715: Halley publicerer liste med 6 variable stjerner 1781: Herschels katalog med 269 dobbeltstjerner 1844: Argelander: Find variable stjerner! 18 kendte 1890: 175 kendte SN 1572 Cas SN 1572 W. Schuler, Tycho Brahe 1896: 393 kendte SN 1572 Cas SN 1572David W. Schuler, Tycho Brahe Mira, Omicron Ceti Cet Mira 1596 Fabricius Mira, Omicron Ceti Cet Mira 1596 David Fabricius P Cygni Cyg S Dor 1600 Willem Janszoom Blaeu 1912: 4000 kendte P Cygni Cyg SN S Dor 1600Brunowsky, Willem Janszoom Blaeu SN 1604 Oph 1604 Joh. Kepler SN 1604 Oph SN 1604 Brunowsky, Joh. Kepler 1970: kendte Algol, Beta Persei Per Algol 1669 Geminiano Montanari Algol, Beta Persei Per Algol 1669 Geminiano Montanari Nova Vulpeculae Vul Nova 1670 Dom Anthelme 1983: kendte Nova Vulpeculae Vul Nova 1670 Dom Anthelme SN 1680 SN 1680 Chi Cygni Cygni RChi Hydrae R Hydrae R Leonis R Leonis Nova 1783, WY Nova 1783, WY Eta Aquilae Eta Aquilae Sheliak, Beta Lyrae Sheliak, Beta Lyrae Delta Cephei Delta Cephei Kilde: Cas Cas Cyg Cyg Hya Hya Leo Leo Sge Sge Aql Aql Lyr Lyr Cep Cep SN SN Mira Mira Mira Mira Mira Mira Nova Nova Cep Delta Delta Cep Beta Lyr Beta Lyr Delta Cep Delta Cep 1680 John Flamsteed 1680Gottfried John Flamsteed 1687 Kirch 1687Giacomo Gottfried KirchMaraldi 1704 Filippo 1704 Giacomo Filippo Maraldi 1782 J.A. Koch 1782 J.A. Koch 1783 D'Agelet 1783Edward D'Agelet 1784 Pigott 1784 Edward Pigott 1784 John Goodricke 1784John JohnGoodricke Goodricke John Goodricke

23 23 Hvad sker der i en cepheide? Cepheider pulserer stabilt præcist ur! Perioden vokser med stjernens størrelse Hvad er fysikken bag pulseringen? 1. Jonisering af stjernens atmosfæriske helium lukker lyset inde 2. Stjernen udvider sig 3. Det ioniserede helium begynder at dejonisere 4. Det lukker op for lyset igen, og stjernen trækker sig sammen Jo større stjernen er, jo længere tid tager det for heliumet at jonisere og dejonisere. Cepheider er typisk omkring 1000 til gange mere lysstærk end vores sol Bemærk: Lille og kompakt, når lysstyrke er størst Asymmetrisk variation i lysstyrke vækst: 1½ dag, fald: 4 dage

24 24 Cepheidemetoden Central metode til afstandsbestemmelse til galakser ud til 50Mly Opgave: Find afstanden til NGC 925 i Trianglen, idet cepheiderne er population I, og absorptionen, A, sættes til 0,42m. Baade fandt: M = - 2,5 log(p) - 1,7 Cepheide nr. P døgn m m M 8 37,30 24,67 24, ,10 24, , ,80 korrigeret r r Mpc Mly -6,43 13,67 49,22 24,43-6,20 13,34 48,04 25,35 24,93-5,76 13,76 49,54 25,90 25,48-5,08 12,96 46,67 Middel: 48,4 M = m -5 log(r) pc = 3,26 ly Wikipedia siger: Distance 45 Mly

25 Litteratur mm. The Cepheid Distance Scale A History: Dette er vist en telemide og ikke en cepheide 25