Das Hertzsprung-Russell Diagramm · Kurz darauf wechselte Schwarzschild als Direktor an das...

100 Jahre

Hertzsprung-Russell Diagramm

Max Camenzind - Akademie HD – Mai 2017

Einar Hertzsprung 1873 - 1967 Henry Norris Russell 1877- 1957

Die Gründerväter

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 Hertzsprung-

Russell-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

• Sterne – Korrelation Leuchtkraft vs Temperatur

• am besten illustriert an Sternhaufen.

• Photometrie Äste im Farben-Helligkeits-Diagramm 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

Unsere Themen

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 Entwicklungs-

phasen. 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

Stern-

haufen

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

Asympt.

Riesenast

AGB

Horizontal-

Ast

(He-Fusion)

Riesen-Ast

(Schalen)

Hauptreihe

(H-Fusion)

RR Lyrae

Knie

FV-Diagramm

Brennphasen im HRD

Hauptreihe

Roter Riese

Horizontal-Ast

Asymptotischer Riese

Weiße Zwerge

• 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.

Farben-Helligkeitsdiagramm FV

FV

-Dia

gra

mm

off

ener

Ste

rnh

au

fen

A

lter

He

rtzs

pru

ng

-Lü

ck

e

Lebensdauer HRD Sternhaufen

Un

se

re S

tern

e d

er

So

nn

en

um

ge

bu

ng

Überriesen

Rote

Riesen

Grafik: Abriss der Astronomie

Zweiter Teil HRD Radien

9. Mai 2017

Hertz-sprung

& Russell (1913)

Leuchtkraft

als

Funktion

der Stern-

Temperatur

Sterne

bevölkern

nur gewisse

Äste

Hipparcos

Daten

Sonnen-

umgebung

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

Gaia 2016

Die Distanz

zu Plejaden

Hipparcos

lag daneben

Grafik:

Camenzind

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

0 K 100 K 273 K 373 K

1000 oC

1273 K

Kelvin = Celsius + 273

B-V Effektiv-Temperatur

50.000 K ist eine

obere Grenze

für Sterne

Warum?

Radien im HRD Ste

phan-

Boltz

mann

:

L =

4π

R2

σT

4

L

inie

n m

it R

= c

on

st

Ra

die

n H

ert

zsp

run

g-

Ru

sse

ll D

iag

ram

m

Stephan-Boltzmann:

L = 4π R2 σT4 R = const

Planeten - Sterne im Vergleich

Ro

te Ü

be

rrie

se

n

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

Ib Überriesen

II Helle Riesen

III Riesen

IV Unterriesen

V Hauptreihen

Sterne

Ia

Ib

II

III

IV

V

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

HR

D M

as

se

n-S

eq

ue

nze

n

Braune

Zwerge

Eddington Grenze 100 Sonnenmassen

Größe der Roten & Braunen Zwerge Proxima Centauri

Jupiter M Zwerg

Methan-

T Zwerg

L 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

0,0 hr

0,8 hr

1,6 hr

2,4 hr

3,2 hr

4,1 hr

ESO Presse Release 2014

Roter T Zwerg

Luhman 16B ~ Jupiter?

• Sterne können am besten an Sternhaufen

untersucht werden. alle haben gleiche Distanz.

• Sterne bilden bestimmte Äste im FV- und HR-

Diagramm 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.

Zusammenfassung