Il Diagramma HR di Hertzsprung-Russell (Evoluzione Stellare Parte IV)

1. Il Diagramma HRdi Hertzsprung-Russell(Evoluzione Stellare Parte IV)

2. Definizioni • Profondità ottica  • Temperatura di profondità ottica: • Intensità Specifica: • Radianza superficiale: • Flusso per unità si frequenza: • Radianza totale: • Luminosità assoluta: • Temperatura superficiale:

3. Il Diagramma HR Catalogate un numero sufficiente di stelle, gli astronomi, E.Hertzspung (danese) e H.N.Russell (americano), hanno indipendentemente elaborato un diagramma che prende il nome di diagramma H-R. Il diagramma è una relazione di dispersione tra: • I-M • X Indice di colore (tipo spettrale) • Y Magnitudine visuale assoluta • T-L • X Temperatura superficiale • Y Luminosità assoluta

4. Diagramma HRdiHertzsprung - Russell Il Sole si trova all’incirca al centro del diagramma HR nel mezzo della sequenza principale. La sue caratteristiche spettrali e di massa si possono considerare tipiche di una stella di medie dimensioni, quindi rappresentative della popolazione stellare della sequenza principale.

5. Cosa rappresenta? • Il diagramma HR è di fondamentale importanza per lo studio dell’evoluzione stellare. • In base alla posizione di una stella nel diagramma, si possono dedurre le principali proprietà fisiche e lo stadio evolutivo in cui la stella si trova. • Nel diagramma HR la luminosità o la magnitudine assoluta delle stelle viene riportata sull’asse delle ordinate con valori crescenti, mentre la temperatura o l’indice di colore lungo l’asse delle ascisse con valori decrescenti.

6. La Sequenza Principale • La maggior parte delle stelle si raggruppata lungo una fascia detta Sequenza Principale (SP), che attraversa il piano in diagonale, passando dalle alte alle basse temperature e luminosità. • La luminosità delle stelle in SP è proporzionale alla massa stellare M, quindi la SP è anche una sequenza di masse composta da: • Sottonane (in basso a destra del diagramma HR). • Stelle Nane molto calde ma di piccola superficie. • Giganti Blu (in alto a sinistra del diagramma HR).

7. Diagramma HRTipo Spettrale-Indice di ColoreMagnitudine visuale assoluta “La luminosità delle stelle in SP è proporzionale alla massa stellare M, quindi la SP è anche una sequenza di masse composta da: • Sottonane (in basso a destra del diagramma HR). • Stelle Nane molto calde ma di piccola superficie. • Giganti Blu (in alto a sinistra del diagramma HR).”

8. Stelle Fuori Sequenza Principale • Stelle di pre-sequenza;si distribuiscono all’incirca lungo una linea verticale sulla destra a temperature inferiori ai 2000 gradi. Quando incomincia la fusione nucleare si spostano verso la sequenza principale, ciascuna nel punto che corrisponde alla propria massa. • Nane Bianche; in basso a sinistra (alte temperature e basse luminosità): stelle molto piccole, calde e compatte. Esse emettono grandi quantità di energia per unità di superficie, per le loro dimensioni ridotte la superficie irradiante, quindi la luminosità totale è bassa. • Giganti Rosse; in alto a destra nel diagramma (alte luminosità, basse temperature): gli strati esterni sono molto espansi, quindi pur non avendo alte temperature hanno una grande superficie irradiante e un’alta luminosità.

9. Ramo Orizzontale Si tratta di una fase successiva alla SP, caratterizzata da una distribuzione a striscia orizzontale di stelle di piccola massa che bruciano elio nel nucleo. Le loro magnitudini assolute sono circa 0,5.

10. Diagramma HRTipo spettraleMagnitudine visuale assolutaSuddivisione per Classe I - Supergiganti II - Giganti luminose III - Giganti IV - Sottogiganti V - Nane VI - Sottonane VII - Nane Bianche

11. Masse Stellari • Le teorie dell’evoluzione stellare, unite alle osservazioni di come le stelle si distribuiscono nei vari intervalli di massa (diagramma HR), consentono di fissare limiti inferiore e superiore della massa di una stella: • Limite inferiore0.08 masse solari; per valori inferiori non si innescano le reazioni termonucleari. • Limite superioretra 100 e 120 masse solari; la stella è gravitazionalmente instabile perché l’energia prodotta non è sufficiente a sostenerne la gravità.

12. Probabilità di Osservazione di una Stella in una data Fase Considerando che: • La probabilità che una stella popoli una regione del diagramma è proporzionale alla durata della fase corrispondente. • L'idrogeno è un elemento molto abbondante nelle stelle e la fase di combustione dell’idrogeno nel nucleo dura molto a lungo • Le stelle che si trovano in sequenza principale sono quelle che trasformano l’idrogeno in elio. Segue che: • La probabilità di osservazione di una stella in sequenza principale è la più alta. • L’osservazione di una stella in altre fasi evolutive corrispondenti alle regioni delle Giganti Rosse o del ramo orizzontale, essendo fasi più rapide, hanno bassa probabilità.

13. Tipo SpettraleIn ordine di temperaturadalle stelle più calde alle più fredde WO B A F G K M R NS Per ogni tipo spettrale esistono dei sottotipi indicati da numeri tra 0 a 9. Per esempio il Sole è G5. Una filastrocca per ricordare la classificazione… WowOh!BeAFineGirl, KissMeRightNowSweetle

14. W- Temperature superiori ai 30mila gradi. Sono circondate da strati di gas in espansioneO- Giganti azzurre. La temperatura superficiale è superiore ai 30mila gradi. Presentano nel loro spettro le righe dell'elio ionizzato. Sono stelle relativamente rare.B- Giganti azzurre.La loro temperatura superficiale è compresa tra 15mila e 25mila gradi. Più comuni di quelle di classe O, ma ancora rare.  A- Stelle di temperatura compresa tra 8 e 12mila gradi circa, sono molto numerose. Nel loro spettro dominano le righe dell’idrogeno. A questo tipo spettrale appartengono per esempio Sirio, Vega e Altair.Sono circa 3 volte più grandi del Sole.F- Sono le stelle di colore bianco, con temperature comprese tra 6 e 8mila gradi, nello spettro dominano le righe del calcio ionizzato. La Stella Polare appartiene a questo tipo spettrale.G- Stelle come il Sole. Stelle gialle, con temperature superficiali di 4-6mila gradi lo spettro è caratterizzato dalle righe dei metalli e del calcio ionizzato K-Stelle fredde, Nane o Giganti Rosse. La loro temperature è compresa tra 3500 e 5000 gradi e lo spettro è caratterizzato dalle righe dei metalli e del calcio neutro.  M: Nane fredde, la massa è 1/3 di quella solare. Appartengono a questa classe Betelgeuse e Antares. Hanno temperature superficiali di 2-3mila gradi e sono caratterizzate dalle righe dell’ossido di titanio. R: La temperatura è quella della classe M, ma il loro spettro è dominato dal carbonio Sono stelle piuttosto rare. N: Come R. Predomina il carbonio.Vengono dette "stelle al carbonio"S: Come M. Possiedono le righe dell'ossido di zirconio nel loro spettro.Sono molto rare.

15. Luminosità – Temperatura • La luminosità assoluta (nel visibile) della stella è proporzionale alla superficie stellare S e alla quarta potenza della temperatura superficiale:

16. Fenomeni che caratterizzano il diagramma HR • Nel processo di combustione nucleare, il raggio stellare si riduce durante la contrazione gravitazionale tra due fasi termonucleari, ma rimane costante durante ciascuna fase (autoregolazione). • Quando il 10% dell’H1 è esaurito la stella collassa. La temperatura aumenta sino all’innesco della combustione dell’He3. Il raggio cresce sotto la spinta della pressione di radiazione e aumentano superficie stellare e la luminosità. La temperatura si stabilizza a valori più bassi dei precedenti, caratteristici del ciclo medio di combustione nucleare. • Sul diagramma HR l’astro si pone a temperature minori e luminosità superiori, “svoltando” verso la destra del grafico. • Il punto di svolta segna la conclusione della pura combustione dell’idrogeno. La stella esce dalla sequenza principale. • Il tempo di combustione dell’idrogeno dipende dalla massa stellare, quindi è valutabile dalla luminosità.

17. Età di un Ammasso • Per un ammasso di stelle originate da una stessa nube di gas, la luminosità media stellare L nel punto di svolta, individua statisticamente il tempo medio Tsp , trascorso in sequenza principale dalle stelle dell’ammasso, quindi l’età media dell’ammasso.

18. Ammasso nella Costellazione del Cancro M67, uno degli ammassi aperti più vecchi della galassia. Il suo diagramma HR assomiglia a quello di un antico ammasso globulare. A causa dell’età superiore a 3 miliardi di anni anche le componenti la cui massa è di poco superiore a quella del nostro Sole stanno abbandonando la SP.

19. Diagramma HR (Età degli ammassi)