Εξέλιξη των αστεριών:Το διάγραμμα που άλλαξε το Σύμπαν

Τα μεγάλα άλματα προς τα εμπρός στην επιστήμη συχνά προέρχονται από την υποβολή προφανών ερωτήσεων και την εξεύρεση έξυπνων τρόπων απάντησης, και για τους αστρονόμους – που δεν μπορούν να πραγματοποιήσουν πειράματα με τη συμβατική έννοια, καθώς η συντριπτική πλειονότητα του Σύμπαντος βρίσκεται πολύ πέρα ​​από την εμβέλειά τους – αυτό ισχύει ιδιαίτερα. Πρέπει να βασιστούν στην εύρεση νέων και καινοτόμων τρόπων για να αξιοποιήσουν τις πληροφορίες που ήδη φτάνουν στη Γη με τη μορφή φωτός από μακρινά ουράνια αντικείμενα.

Ρίξτε μια σύντομη ματιά στα αστέρια, για παράδειγμα, και τρία πράγματα ξεχωρίζουν αμέσως:είναι διάσπαρτα ανομοιόμορφα στον ουρανό, ποικίλλουν πολύ σε φωτεινότητα και διαφέρουν ως προς το χρώμα από έντονα μπλε και λευκά έως φλογερά κόκκινα.

Αυτές οι ιδιότητες είναι τόσο προφανείς που είναι εύκολο να τις παραβλέψουμε, αλλά μαζί έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στη δημιουργία αυτού που τώρα ονομάζεται διάγραμμα Hertzsprung-Russell – ένα απατηλά απλό διάγραμμα που εξηγεί όχι μόνο τις φυσικές ιδιότητες των αστεριών, αλλά και αποκαλύπτει την προηγούμενη ιστορία και τη μελλοντική τους εξέλιξη. Η ιστορία ξεκινά με τις Πλειάδες, το πιο διάσημο αστρικό σύμπλεγμα στον ουρανό.

Οι Πλειάδες σηματοδοτούν τους ώμους του μεγάλου αστερισμού του Ταύρου, και είναι ένα αδιαμφισβήτητο θέαμα στον νυχτερινό ουρανό κατά τους μήνες του βόρειου χειμώνα. Γύρω στο φθινόπωρο και τον χειμώνα, αναζητήστε τα ως μια χαρακτηριστική ελαφριά σταγόνα σε σχήμα αγκίστριας, που σκαρφαλώνει στον ανατολικό ουρανό αργά το βράδυ.

Διαβάστε περισσότερα για τα αστέρια:

• Το αστέρι Betelgeuse πρόκειται να εκραγεί;
• 9 συμβουλές για την παρατήρηση των άστρων που θα σας βοηθήσουν να παρακολουθείτε τα αστέρια από το σπίτι

Παρά το γεγονός ότι πήρε το όνομά του από τις Επτά Αδελφές της αρχαίας ελληνικής μυθολογίας, λέγεται συχνά ότι μόνο έξι αστέρια είναι ορατά με γυμνό μάτι για άτομα με μέση όραση, αλλά μερικοί αστρολόγοι με αιχμηρά μάτια έχουν αναφέρει πολλά περισσότερα.

Οι Αδελφές ήταν ένας προφανής στόχος για τα πρώτα τηλεσκόπια, και οι περισσότεροι άνθρωποι που αφιέρωσαν χρόνο για να το σκεφτούν συνειδητοποίησαν ότι μια τέτοια ευθυγράμμιση να συμβεί τυχαία ήταν πολύ απίθανη. Το 1767, ο Άγγλος κληρικός και φιλόσοφος John Michell τσάκισε τους αριθμούς και ανακοίνωσε ότι οι πιθανότητες μιας τυχαίας ευθυγράμμισης ήταν μία στο μισό εκατομμύριο.

Αν και ήταν αδύνατο να εκτιμηθεί η πραγματική απόσταση από τις Πλειάδες (τώρα πιστεύεται ότι είναι περίπου 450 έτη φωτός) με την τεχνολογία της εποχής, το γεγονός ότι το σμήνος ήταν αναμφισβήτητα μια φυσική ομάδα σήμαινε ότι τα αστέρια μέλη θα μπορούσαν να θεωρηθούν ότι έχουν την ίδια τεράστια απόσταση από τη Γη.

Αυτό σήμαινε ότι, για μια φορά, οι αστρονόμοι θα μπορούσαν να σταματήσουν να ανησυχούν για το πώς οι ποικίλες αποστάσεις των άστρων και οι δυνητικά διαφορετικές ποσότητες σκόνης που απορροφά το φως μεταξύ μας και αυτών, επηρέασαν τη φωτεινότητα και το χρώμα τους όπως φαίνεται από τη Γη.

Αντίθετα, ήταν ασφαλές να υποθέσουμε ότι οι διαφορές στις μετρούμενες ιδιότητες των αστεριών του σμήνος στις Πλειάδες ήταν μια άμεση αντανάκλαση των διαφορών στην πραγματική τους φωτεινότητα και το χρώμα, που επηρεάζονταν από τους ίδιους παράγοντες σε κάθε περίπτωση. Γύρω στο 1908, ένας έξυπνος νεαρός Δανός, ο Ejnar Hertzsprung, βρήκε έναν τρόπο να το αξιοποιήσει σωστά.

Ο Hertzsprung είχε αρχικά εκπαιδευτεί ως χημικός, αλλά πρόσφατα είχε επιστρέψει στο παιδικό του πάθος για τα αστέρια. Είχε επίσης ταλέντο στην πλευρική σκέψη και στο να κάνει τη σωστή ερώτηση τη σωστή στιγμή.

Στις αρχές του 1900, για παράδειγμα, βρήκε έναν έξυπνο εμπειρικό κανόνα για να υπολογίσει τις αστρικές αποστάσεις, βασισμένος στην ιδέα ότι εάν όλα τα αστέρια παρασύρονται τυχαία στο διάστημα με την ίδια περίπου ταχύτητα, τότε τα σχετικά κοντινά θα πρέπει να κινηθούν κατά μήκος του ουρανού της Γης. πιο γρήγορα από τα πιο μακρινά ξαδέρφια τους.

Συνδυάζοντας τις πρόχειρες εκτιμήσεις της απόστασης με μοτίβα στα φάσματα των άστρων (οι ζώνες που μοιάζουν με το ουράνιο τόξο που παράγονται όταν το φως των αστεριών χωρίζεται κατά μήκος κύματος και χρώμα), εντόπισε χαρακτηριστικά που του επέτρεψαν να αναγνωρίσει δύο ευρείες αστρικές κατηγορίες μόνο από τα φάσματα τους. Από τη μια πλευρά ήταν αρκετά μέτρια αστέρια όπως ο Ήλιος, και από την άλλη ήταν σπάνια αστέρια που φαινόταν λαμπρά ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις. Σύντομα οι αστρονόμοι άρχισαν να αποκαλούν αυτές τις δύο τάξεις «νάνους» και «γίγαντες».

Αναζητώντας έναν τρόπο σύγκρισης ιδιοτήτων μεταξύ μεγάλων αριθμών από τα πιο κοινά αστέρια νάνων, ο Hertzsprung μηδενίστηκε στις Πλειάδες. Χρησιμοποιώντας αυτή τη εύχρηστη υπόθεση ότι όλα τα άστρα του βρίσκονται στην ίδια απόσταση, επινόησε ένα γράφημα που συνέκρινε τη φαινομενική φωτεινότητα μεμονωμένων αστεριών με τον φασματικό τύπο τους (ένδειξη του χρώματος και της θερμοκρασίας της επιφάνειάς τους).

Τελικά δημοσιεύθηκε το 1911, το γράφημα ήταν περιορισμένο ως προς το εύρος του, επειδή τα αστέρια των Πλειάδων είναι πολύ προκατειλημμένα προς το μπλε άκρο του φάσματος. Αλλά υπήρχε ακόμα αρκετή ποικιλία για να δείξει ένα σαφές μοτίβο. τα πιο φωτεινά αστέρια ήταν επίσης τα πιο καυτά, και καθώς η φωτεινότητα έπεφτε, το ίδιο έπεφτε και η θερμοκρασία.

Το διάγραμμα του Hertzsprung υπονοούσε σαφώς κάτι πολύ σημαντικό για τα αστέρια και ο μέντοράς του, ο σεβαστός Γερμανός αστρονόμος Karl Schwarzschild, ήταν πεπεισμένος ότι ήταν μια σημαντική ανακάλυψη. Αλλά το αστρονομικό κατεστημένο παρέμεινε αμετάπειστο – και εκεί μπαίνει στην ιστορία ο Χένρι Νόρις Ράσελ.

Ο Ράσελ, γιος ενός Πρεσβυτεριανού υπουργού από την Πολιτεία της Νέας Υόρκης, είχε ακολουθήσει το ενδιαφέρον του για τα αστέρια σε μια πιο απλή ακαδημαϊκή διαδρομή. Ένα πτυχίο και διδακτορικό στο Πρίνστον ακολούθησε έρευνα στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ γύρω στο 1902–5, όπου εστίασε στους τρόπους προσδιορισμού των ιδιοτήτων των δυαδικών αστεριών (αυτών που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο).

Τα δυαδικά προσέφεραν έναν άλλο τρόπο εύρεσης και σύγκρισης των ιδιοτήτων των αστεριών σε ίδια απόσταση από τη Γη, αλλά ο Ράσελ συνειδητοποίησε ότι θα μπορούσατε επίσης να χρησιμοποιήσετε την τροχιά ενός δυαδικού για να βρείτε την αληθινή του απόσταση.

Η αρχή ήταν ένα άλλο παράδειγμα πλευρικής σκέψης:εάν μπορούσατε να μάθετε αρκετά για ένα δυαδικό σύστημα για να υπολογίσετε τις πραγματικές διαστάσεις της τροχιάς του, τότε θα μπορούσατε να το συγκρίνετε με το φαινομενικό μέγεθος της τροχιάς του στον ουρανό και υπολογίστε πόσο μακριά ήταν. Η μέθοδος λειτούργησε μόνο για μερικά αστέρια, αλλά έκανε τον Russell να ενδιαφέρεται για το όλο ζήτημα της σύγκρισης αστρικών ιδιοτήτων όπως το μέγεθος, η μάζα, ο φασματικός τύπος και η φωτεινότητα.

Φρεσκοκομμένος ως καθηγητής του Πρίνστον το 1911, ήταν επομένως σε θέση να δει τις δυνατότητες της ιδέας του Χέρτζσπρουγκ, αλλά συνειδητοποίησε την ανάγκη να την επεκτείνει πέρα ​​από το περιορισμένο πεδίο των Πλειάδων. Σε αυτό το σημείο, στάθηκε τυχερός – χρησιμοποιώντας νέες τεχνικές μέτρησης, άλλοι αστρονόμοι είχαν μόλις δημοσιεύσει ένα ζευγάρι ανεξάρτητων εκτιμήσεων για την απόσταση από ένα άλλο διάσημο αστρικό σμήνος, τους Υάδες, που το έθεσαν σε απόσταση περίπου 135 ετών φωτός από τη Γη.

Οι Υάδες είναι ένα σχετικά μεγάλο και χαλαρό σύμπλεγμα, ένας κοντινός γείτονας με τις Πλειάδες στον ουρανό μας, που αντιπροσωπεύει το πρόσωπο του ταύρου Ταύρου. Χρήσιμο για τον Russell, τα αστέρια του απλώνονται σε μια πολύ ευρύτερη γκάμα χρωμάτων. Συνδυάζοντας τις εκτιμήσεις της πραγματικής τους φωτεινότητας με τις δικές του δυαδικές μετρήσεις και τις ιδιότητες μιας χούφτας κοντινών αστεριών των οποίων η απόσταση μπορούσε να μετρηθεί με άλλα μέσα, ο Russell μπόρεσε να κάνει μια άμεση σύγκριση μεταξύ περίπου 300 αστεριών.

Η έκδοση του Ράσελ του «διαγράμματος H-R», που αποκαλύφθηκε τον Δεκέμβριο του 1913, έθεσε ένα πρότυπο που ακολουθείται από τότε, μετρώντας την αστρική φωτεινότητα στην κατακόρυφη κλίμακα και τον φασματικό τύπο στην οριζόντια.

Το μοτίβο που υπαινίσσεται στο πρώιμο διάγραμμα του Hertzsprung έγινε ξαφνικά κρυστάλλινο:η συντριπτική πλειονότητα των άστρων (οι νάνοι) σχημάτισαν μια διαγώνια λωρίδα που συνδέει τα φωτεινά μπλε αστέρια με τα αχνά κόκκινα (μια περιοχή που ο Hertzsprung είχε ήδη ονομάσει την «κύρια ακολουθία» λόγω την κυριαρχία του).

Μια χούφτα γίγαντες, εν τω μεταξύ, έτρεχαν οριζόντια στην κορυφή του διαγράμματος σε μια ευρεία ζώνη. Οι δύο ομάδες ήρθαν κοντά στο ζεστό, μπλε άκρο του φάσματος, αλλά ήταν ευρέως διαχωρισμένες στο ψυχρό, κόκκινο άκρο όπου τα αστέρια ήταν είτε εξαιρετικά φωτεινά είτε εξαιρετικά αχνά.

Αποκαλύπτοντας για πρώτη φορά την αληθινή κατανομή των αστρικών ιδιοτήτων, το διάγραμμα H-R έδωσε στην αστρονομία ένα εντελώς νέο λεξιλόγιο, τονίζοντας την ύπαρξη διακριτικών ερυθρών νάνων, ερυθρών και πορτοκαλί γιγάντων και άλλων. Σύντομα ενώθηκαν με λευκούς νάνους (εξαιρετικά καυτούς αλλά αμυδρά αστέρια, που τώρα είναι γνωστό ότι είναι οι εκτεθειμένοι, καμένοι πυρήνες των αστεριών που μοιάζουν με τον ήλιο) και ακόμη και μια σειρά από εξαιρετικά σπάνιους πολύχρωμους υπεργίγαντες κατά μήκος της κορυφής του διαγράμματος.

Διαβάστε περισσότερα για την αστρονομία:

• Μπορεί να υπάρχει ζωή γύρω από μια μαύρη τρύπα;
• 8 όμορφες εικόνες του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble που πιθανότατα δεν έχετε ξαναδεί

Ο Ράσελ, εν τω μεταξύ, σημείωσε ότι ο σχετικός αριθμός των αστεριών στο διάγραμμα ήταν αναπόφευκτα προκατειλημμένος προς αυτά τα αστέρια που μπορούμε να δούμε πιο εύκολα:οι γίγαντες λάμπουν σε πολλές εκατοντάδες έτη φωτός, ενώ οι νάνοι - ειδικά οι πορτοκαλί και οι κόκκινοι - είναι αόρατοι πέρα ​​από η κοσμική πίσω αυλή μας.

Οι δεκαετίες που ακολούθησαν την ανακάλυψη του Hertzsprung και του Russell θα γνωρίσουν σημαντικές ανακαλύψεις στην κατανόησή μας για τη δομή των άστρων, με αποκορύφωμα τη δεκαετία του 1930 με την ανακάλυψη της πυρηνικής σύντηξης ως πηγής ενέργειας στους πυρήνες τους.

Τελικά, η κατανόησή μας για την πυρηνική φυσική και την αστρική δομή μαζί θα επέτρεπε στο διάγραμμα να αξιοποιηθεί με νέους τρόπους – όχι μόνο ως χάρτης των σημερινών αστρικών ιδιοτήτων, αλλά και ως πρότυπο διαμέσου του οποίου τα μεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά των άστρων σε διαφορετικά στάδια Οι ζωές τους μπορούν να εντοπιστούν, από το παρελθόν στο μακρινό μέλλον.

Μια ιστορία του σύμπαντος σε 21 αστέρια (και 3 απατεώνες) από τον Giles Sparrow κυκλοφορεί τώρα (£12,99, Welbeck Publishing Group).

• Αγοράστε τώρα από το Amazon UK ή το Waterstones