HR dijagram — slika u kojoj je praznina najvažnija
Prethodni deo se završio na Morinoj oznaci c — onim zvezdama koje imaju isti spektar kao druge, ali sa upadljivo uskim i oštrim linijama. Pikering je to smatrao nepotrebnom sitnicom.
Ovaj tekst je o tome šta se dogodilo kad je neko tu sitnicu shvatio ozbiljno, i kad je zatim uzeo dve veličine koje su odavno bile poznate — sjaj i spektralni razred — i prosto ih naneo jednu prema drugoj na papir.
Rezultat je dijagram koji je i danas najvažnija slika u proučavanju zvezda.
Prividni i stvarni sjaj
Pre nego što pređemo na dijagram, moramo razlikovati dve stvari koje su se do sada u ovom serijalu mešale.
Prividni sjaj je ono koliko nam se zvezda čini sjajnom. To je ono što je Hiparh razvrstao u šest magnituda u osmom delu. Zavisi od dve stvari — od toga koliko zvezda stvarno zrači i od toga koliko je daleko.
Stvarni sjaj (kaže se i sopstveni sjaj, ili luminoznost) je koliko zvezda ukupno zrači. To je njeno svojstvo, nezavisno od posmatrača.
Do 1838. razlika je bila akademska, jer se rastojanja nisu znala. Posle Besela, iz dvadeset četvrtog dela, znaju se — i tada se prividni sjaj može pretvoriti u stvarni.
Korak 1. Svetlost se pri udaljavanju razređuje po površini lopte, čija površina raste sa kvadratom poluprečnika. Otuda:
- b — prividni sjaj, izmeren; količina svetlosti koja stiže na jedinicu površine
- L — stvarni sjaj, ukupno zračenje zvezde
- d — rastojanje do zvezde, iz paralakse
Korak 2. Odatle se stvarni sjaj dobija iz izmerenog:
Napomena o skali magnituda: astronomi su Hiparhovu podelu na šest razreda zadržali, ali su joj 1856. dali tačne granice tako da razlika od pet magnituda znači tačno stostruku razliku u sjaju. Skala je, dakle, obrnuta — manji broj znači sjajniju zvezdu — i na njoj se jednaki koraci odnose na jednake odnose, ne razlike. Kad se stvarni sjaj izrazi u tim jedinicama, zove se apsolutna magnituda: to je magnituda koju bi zvezda imala kad bi bila na dogovorenom rastojanju od 10 parseka.
Hercšprung
Ejnar Hercšprung (Ejnar Hertzsprung, 1873–1967) bio je Danac, po obrazovanju hemijski inženjer, koji je radio u fotografskoj industriji u Sankt Peterburgu. Fotohemija ga je dovela do merenja sjaja, a merenje sjaja do astronomije, kojom se najpre bavio kao amater.
Godine 1905. i 1907. objavio je dva rada u kojima je proverio šta je zajedničko zvezdama sa Morinom oznakom c.
Uzeo je one kojima je paralaksa bila poznata, pretvorio prividni sjaj u stvarni, i uporedio ih sa običnim zvezdama istog spektralnog razreda.
Rezultat: zvezde sa oznakom c su stotinama, pa i hiljadama puta sjajnije.
Sada dolazi zaključak koji je bio smeo. Ako dve zvezde imaju isti spektar, one imaju istu temperaturu površine — a to znači da svaki komadić njihove površine zrači jednako. Ako je jedna hiljadu puta sjajnija, jedini način je da ima hiljadu puta veću površinu.
Izračunajmo šta to znači. Površina lopte raste sa kvadratom poluprečnika:
Te zvezde su desetinama puta veće po prečniku od običnih zvezda istog razreda. Hercšprung ih je nazvao džinovima, a obične patuljcima.
Ime „patuljak" je nesrećno izabrano — Sunce je patuljak po toj podeli — ali se ustalilo.
Objasnila se i Morina oznaka. Uske, oštre linije javljaju se kod džinova zato što je gas u njihovom spoljnom sloju mnogo razređeniji: džin ima ogromnu zapreminu a masu uporedivu sa običnom zvezdom. Zašto razređenost sužava linije, pripada fizici atoma i ovde se ne otvara. Mori je merila gustinu spoljnog sloja i nije znala.
Hercšprung je rezultate objavio u nemačkom fotografskom časopisu. Astronomi ih nisu primetili.
Rasel
Henri Noris Rasel (Henry Norris Russell, 1877–1957), astronom u Prinstonu, došao je do istog zaključka nezavisno, oko 1910, radeći na merenju paralaksi.
Rasel je, međutim, uradio nešto što Hercšprung nije. Nacrtao je dijagram.
Postavka je krajnje jednostavna. Na vodoravnu osu ide spektralni razred, po Kenoninom nizu O B A F G K M iz prethodnog dela. Na uspravnu osu ide stvarni sjaj. Svaka zvezda kojoj su obe veličine poznate ubode se kao tačka.
Rasel je 1913. prikazao takav dijagram pred Kraljevskim astronomskim društvom, a 1914. objavio.
Očekivanje je bilo da će tačke biti razbacane po celoj slici. Nije bilo razloga misliti drugačije: sjaj i spektar su dve nezavisne veličine, i zvezde bi mogle imati bilo koju kombinaciju.
Nisu bile razbacane.
Šta se pojavilo
Tačke su se skupile u uske, jasno odvojene oblasti, a najveći deo slike ostao je prazan.
Prvo, glavna traka. Od gornjeg levog ugla — sjajne, plavičaste zvezde razreda O i B — do donjeg desnog ugla — slabe, crvenkaste zvezde razreda M — proteže se uska dijagonalna traka. U njoj se nalazi oko devedeset odsto svih zvezda, uključujući Sunce. Ta traka se zove glavni niz.
Drugo, grana džinova. Iznad glavnog niza, u desnom delu slike, stoji zasebna grupa: zvezde razreda K i M koje su stotinama puta sjajnije nego što bi po glavnom nizu trebalo. To su Hercšprungovi džinovi.
Treće, prazan prostor između. Između glavnog niza i grane džinova skoro da nema tačaka. Nije reč o postupnom prelazu nego o procepu.
Četvrto, nekoliko usamljenih tačaka dole levo. Zvezde koje su bele — dakle vrele — a pri tom izuzetno slabe. Tada ih je bilo poznato svega nekoliko.
Hercšprung-Raselov dijagram (HR dijagram) — spektralni razred po vodoravnoj osi, stvarni sjaj po uspravnoj. Svaka zvezda je jedna tačka.
Glavni niz — uska dijagonalna traka u kojoj se nalazi oko 90% zvezda.
Najvažnija činjenica nije koje su oblasti popunjene, nego koliko je slike prazno. Zvezde ne mogu imati bilo koju kombinaciju sjaja i spektra.
Zašto je praznina važnija od popunjenosti
Ovo je suština i vredi se zadržati.
Kad su dve veličine nezavisne, tačke ispune celu ravan. Kad su vezane, tačke padnu na krivu.
Ono što HR dijagram pokazuje jeste da sjaj i spektar zvezde nisu nezavisni. Postoji pravilo koje ih povezuje, i to pravilo dopušta samo mali deo svih zamislivih kombinacija.
Nema, na primer, zvezde koja je crvena a vrlo sjajna — osim ako je džin. Nema zvezde koja je plavičasta a slaba — osim onih nekoliko čudnih tačaka dole levo.
Iz toga sledi da zvezde nisu proizvoljne. Nešto ih ograničava.
Isti tip zaključka smo već sreli. Kenonin niz O B A F G K M pokazao je da spektar zavisi od jedne veličine. HR dijagram pokazuje da su i sjaj i spektar zajedno ograničeni na uzak skup mogućnosti — što znači da zvezdu određuje mali broj parametara, možda i samo dva.
Ali zašto — to niko nije znao.
Pogrešno tumačenje koje je bilo razumno
Rasel je odmah ponudio objašnjenje, i ono je bilo pogrešno — ali na način koji zaslužuje da se ozbiljno izloži.
Njegova zamisao je bila da dijagram prikazuje životni put zvezde, i da je glavni niz ono kroz šta zvezda prolazi dok stari.
Rasuđivanje je išlo ovako. U to vreme se smatralo — na osnovu ideje koju su u devetnaestom veku razvili Helmholc i Kelvin — da zvezda zrači zato što se sažima pod sopstvenom težinom. Telo koje se steže zagreva se, a toplota se zrači.
Iz toga sledi jasna priča: zvezda nastaje kao ogroman, hladan, razređen oblak — dakle crveni džin. Sažimajući se, zagreva se i penje uz glavni niz do najviše temperature. Zatim, kad se dovoljno zgusne da ne može više da se steže, hladi se i klizi niz glavni niz do crvenog patuljka.
Otuda i nazivi koji su se zadržali u nešto izmenjenom obliku: zvezde razreda O i B nazvane su rane, a K i M kasne. Ti izrazi se koriste i danas, iako je ideja iza njih odbačena.
Priča je bila uverljiva, unutrašnje dosledna, i objašnjavala je oblik dijagrama.
Bila je pogrešna, i to iz razloga koji tada nije bio poznat.
Sažimanje ne može da izdrži dovoljno dugo. Izračunajmo grubo, kako je to uradio Kelvin.
Korak 1. Ako je jedini izvor energije sažimanje, ukupna raspoloživa energija je reda:
Korak 2. Podeljeno sa snagom koju Sunce zrači, daje vreme koje Sunce može tako da izdrži:
Trideset miliona godina. A geolozi su već tada, iz debljine slojeva stena, tvrdili da je Zemlja stara stotinama miliona godina — a posle 1907, kad je uvedeno datiranje pomoću raspada radioaktivnih elemenata, ispostavilo se da je stara milijardama.
Sunce, dakle, ne može da svetli sažimanjem. Postoji drugi izvor, i on je nepoznat.
To pitanje otvaramo u sledećem delu.
Šta dijagram zapravo pokazuje
Da bih zatvorio pitanje bez preskakanja, reći ću samo ono što se sme reći iz onoga što u ovom trenutku priče imamo, i izričito ću označiti granicu.
Glavni niz nije životni put nego raspored po masi. Zvezda na glavnom nizu ostaje na približno istom mestu najveći deo svog postojanja; gde će to mesto biti, određeno je time koliko materije ima. Masivnije zvezde su gore levo — vrele i sjajne. Zvezde male mase su dole desno.
Zato je glavni niz tako uzak i tako popunjen: to je stanje u kome zvezda provede oko devedeset odsto vremena, pa u svakom trenutku tamo zatičemo većinu zvezda.
Džinovi su zvezde koje su to razdoblje završile i prešle u drugo stanje — što objašnjava i procep, jer je prelaz brz pa se malo zvezda uhvati u njemu.
Zašto masa određuje položaj, zašto se stanje na kraju menja, i zašto je prelaz brz — sve to zahteva da se zna odakle zvezdi energija. Time se bavi sledeći deo, i tek posle njega dijagram dobija puno objašnjenje.
Tačke dole levo
Ono nekoliko usamljenih tačaka u donjem levom uglu zaslužuje posebnu napomenu, jer povezuje sa nečim iz dvadeset četvrtog dela.
Prva takva zvezda bio je pratilac Sirijusa — telo čije je postojanje Besel 1844. izračunao iz vijuganja Sirijusa, a koje je viđeno 1862.
Njegov spektar izmeren je 1915. i pokazao se kao spektar bele, vrele zvezde. A njen sjaj, poznat iz rastojanja, ispao je oko deset hiljada puta manji od Sirijusovog.
Ponovimo Hercšprungov račun, ali u suprotnom smeru. Ista temperatura, deset hiljada puta manji sjaj:
Zvezda veličine planete. A njena masa, poznata iz Beselovog računa po Njutnovom zakonu, uporediva je sa Sunčevom.
Odatle sledi gustina koja je izgledala nemoguće. Aston i Edington su o tome raspravljali kao o besmislici koju treba objasniti ili odbaciti. Edington je zapisao — u parafrazi — da je poruka koju zvezda šalje toliko besmislena da mu se čini da bi bilo najbolje ućutkati je.
Te zvezde danas zovemo belim patuljcima. Objašnjenje njihove gustine tražilo je kvantnu fiziku i stiglo je tek 1926. Pripada serijalu o strukturi materije.
Šta je ovo promenilo
Zvezde su postale porodica, a ne skup. Do HR dijagrama, svaka zvezda je bila poseban slučaj. Posle njega, one su tačke u jednom uređenom rasporedu, sa pravilima koja određuju gde smeju da stanu.
Otvoreno je pitanje razvoja. Ako u dijagramu postoje odvojene oblasti, prirodno je pitati kreće li se zvezda kroz njih, i kojim redom. Raselov odgovor je bio pogrešan, ali je pitanje bilo pravo — i od tada je proučavanje zvezda postalo proučavanje njihovog razvoja u vremenu.
Dobijen je alat za merenje rastojanja. Ovo je posledica koja se odmah nije videla, a biće važna kasnije. Ako se iz spektra zvezde može utvrditi kojoj oblasti dijagrama pripada, iz dijagrama sledi njen stvarni sjaj. A iz stvarnog i prividnog sjaja sledi rastojanje — po istoj vezi b = L/(4πd2) sa početka ovog teksta, samo primenjenoj unazad.
To je bilo od ogromnog značaja, jer paralaksa radi samo za bliske zvezde. Već na nekoliko stotina svetlosnih godina ugao pada ispod merljivog.
Ali i taj metod ima granicu. Da bi se video spektar zvezde, ona mora biti dovoljno sjajna da se od nje dobije upotrebljiva svetlost — a to znači da opet mora biti relativno bliska.
Ostalo je, dakle, pitanje bez odgovora: kako izmeriti rastojanje do nečega što je toliko daleko da se pojedinačne zvezde jedva razaznaju?
Odgovor je stigao iz Harvarda, iz iste sobe sa fotografskim pločama iz prethodnog dela. Jedna od računarki dobila je zadatak da na pločama snimljenim na južnoj polulopti prebroji zvezde koje menjaju sjaj. Prebrojala je preko dve hiljade — a onda je kod jedne vrste primetila nešto što niko nije tražio.
Tekst je nastao u saradnji sa modelom Claude Opus 5 (Anthropic), po autorskom konceptu i uz uređivanje autora bloga.
Comments
Post a Comment