A gömb alakú csillaghalmaz olyan csillaghalmaz , amely nagyszámú csillagot tartalmaz, amelyeket szorosan megköt a gravitáció, és műholdként keringenek a galaktikus központ körül . Ellentétben a nyílt csillaghalmazokkal , amelyek a galaktikus korongban helyezkednek el , a gömbhalmazok a fényudvarban vannak ; sokkal régebbiek, sokkal több csillagot tartalmaznak, szimmetrikus gömb alakúak, és a csillagok koncentrációjának növekedése jellemzi őket a halmaz közepe felé. A gömbhalmazok középső régióiban a csillagok térbeli koncentrációja 100-1000 csillag/köbös parszek [2] , a szomszédos csillagok közötti átlagos távolság 3-4,6 billió km (0,3-0,5 fényév ); összehasonlításképpen a Nap közelében a csillagok térbeli koncentrációja ≈0,13 pc −3 , azaz csillagsűrűségünk 700-7000-szer kisebb. A gömbhalmazokban lévő csillagok száma ≈10 4 -10 6 . A gömbhalmazok átmérője 20-60 db , tömege pedig 104-106 naptömeg .
A gömbhalmazok meglehetősen gyakori objektumok: 2011 elején 157-et fedeztek fel belőlük a Tejútrendszerben , és további 10-20 gömbhalmaz jelöltje [3] [4] [5] . A nagyobb galaxisokban több is lehet belőlük: például az Androméda-ködben számuk elérheti az 500 -at [6] . Egyes óriási elliptikus galaxisokban , különösen azokban, amelyek a galaxishalmazok közepén helyezkednek el , mint például az M 87 , akár 13 ezer gömbhalmaz is előfordulhat [7] . Az ilyen halmazok körülbelül 40 kpc (körülbelül 131 ezer fényév ) vagy nagyobb sugarú pályákon keringenek a galaxis körül [8] .
A Tejútrendszer közelében minden megfelelő tömegű galaxis gömbhalmazokhoz kapcsolódik. Az is kiderült, hogy szinte minden vizsgált nagy galaxisban megtalálhatók [9] . A Nyilasban lévő törpegalaxis és a Canis Majorban lévő törpegalaxis láthatóan a gömbhalmazok (pl . Palomar 12 ) „áthelyezése” folyamatban van a Tejútrendszerbe [10] . A múltban sok gömbhalmazt megszerezhetett volna Galaxisunk ilyen módon.
A gömbhalmazok tartalmazzák a galaxisban megjelent legkorábbi csillagokat, de ezen objektumok eredete és szerepe a galaktikus evolúcióban még mindig nem világos. Szinte biztosra vehető, hogy a gömbhalmazok jelentősen eltérnek a törpe elliptikus galaxisoktól , vagyis a "natív" galaxis csillagkeletkezésének egyik terméke , és nem más csatlakozó galaxisokból jöttek létre [11] . A tudósok azonban a közelmúltban felvetették, hogy a gömbhalmazok és a törpe szferoidgalaxisok nem feltétlenül határolhatók el egészen egyértelműen, és különböző objektumok [12] .
Név | Felfedező | Év |
---|---|---|
M22 | Ábrahám Ile | 1665 |
ω Centauri | Edmund Halley | 1677 |
M5 | Gottfried Kirch | 1702 |
M13 | Edmund Halley | 1714 |
M71 | Jean Philippe de Chezo | 1745 |
M4 | Jean Philippe de Chezo | 1746 |
M15 | Giovanni Domenico Maraldi | 1746 |
M2 | Giovanni Domenico Maraldi | 1746 |
Az első M 22 gömbölyű csillaghalmazt Johann Abraham Ihle német amatőrcsillagász fedezte fel 1665-ben [13] , azonban az első teleszkópok kis rekesznyílása miatt lehetetlen volt megkülönböztetni az egyes csillagokat a gömbhalmazban [14] . Charles Messier volt az, akinek az M 4 megfigyelése során először sikerült elkülönítenie a csillagokat egy gömbhalmazban . Nicolas Lacaille abbé 1751-1752 között később felvette katalógusába a később NGC 104 , NGC 4833 , M 55 , M 69 és NGC 6397 néven ismert klasztereket (a szám előtti M betű Charles Messier katalógusára, az NGC pedig a John Dreyer új általános katalógusa ).
William Herschel 1782-ben indította el a nagy teleszkópokat használó kutatási programot, amely lehetővé tette a csillagok megkülönböztetését mind a 33 addig ismert gömbhalmazban. Ezen kívül még 37 klasztert fedezett fel. A Herschel által 1789-ben összeállított mélyégbolt objektumok katalógusában először a "gömbhalmaz" nevet használta az ilyen típusú objektumok leírására [ 14] . A talált gömbhalmazok száma tovább nőtt, 1915-re elérte a 83 -at, 1930-ra a 93-at, 1947-re pedig a 97-et. 2011-re 157 klasztert fedeztek fel a Tejútrendszerben , további 18-at jelöltek ki, és a teljes számot 180±20-ra becsülik [3] [4] [5] . Úgy gondolják, hogy ezek az észleletlen gömbhalmazok galaktikus gáz- és porfelhők mögött rejtőznek .
1914-től kezdve Harlow Shapley amerikai csillagász a gömbhalmazokkal kapcsolatos tanulmányok sorozatát vezetett ; eredményeiket 40 tudományos közleményben publikálták. Tanulmányozta az RR Lyrae változókat klaszterekben (amelyekről azt feltételezte, hogy cefeidák ), és a periódus-fényesség összefüggést használta a távolság becslésére . Később kiderült, hogy az RR Lyrae változók fényessége kisebb, mint a cefeidáké, és Shapley valójában túlbecsülte a klaszterek távolságát [15] .
A Tejútrendszer gömbhalmazainak túlnyomó többsége a galaktikus magot körülvevő égbolt területén található ; sőt jelentős mennyiség a mag közvetlen közelében található. 1918-ban Shapley kihasználta a halmazok e nagy ferde eloszlását Galaxisunk méretének meghatározására. Feltételezve, hogy a gömbhalmazok eloszlása a galaxis közepe körül megközelítőleg gömb alakú, ezek koordinátái alapján becsülte meg a Nap helyzetét a galaxis középpontjához képest [16] . Bár a távolságra vonatkozó becslésében jelentős hiba volt, azt mutatta, hogy a Galaxis mérete sokkal nagyobb, mint azt korábban gondolták. A hiba oka a Tejútrendszerben lévő por volt, amely részben elnyelte a gömbhalmaz fényét, így halványabbá és így távolabbivá tette. Mindazonáltal Shapley becslése a Galaxis méretére a most elfogadott nagyságrendű volt.
Shapley mérései azt is kimutatták, hogy a Nap meglehetősen messze van a Galaxis középpontjától, ellentétben azzal, amit akkoriban a közönséges csillagok eloszlásának megfigyelései alapján hittek. Valójában a csillagok a Galaxis korongjában vannak, ezért gyakran gáz és por mögé rejtőznek, míg a gömbhalmazok a korongon kívül vannak, és sokkal nagyobb távolságból láthatók.
Később Henrietta Swope és Helen Sawyer (később Hogg) segítettek a Shapley-klaszterek tanulmányozásában . 1927-1929-ben Shapley és Sawyer elkezdte osztályozni a halmazokat a csillagok koncentrációjának foka szerint. A legmagasabb koncentrációjú akkumulációkat az I. osztályba soroltuk, és a koncentráció csökkenésével a XII. osztályba soroltuk tovább (néha az osztályokat arab számokkal jelölik: 1–12). Ezt a besorolást Shapley -Sawyer koncentrációs osztálynak nevezik [ 17 ] .
A mai napig a gömbhalmazok kialakulását nem teljesen ismerték, és még mindig nem világos, hogy egy gömbhalmaz azonos generációhoz tartozó csillagokból áll-e, vagy olyan csillagokból áll, amelyek több százmillió év alatt több cikluson mentek keresztül. Sok gömbhalmazban a legtöbb csillag a csillagfejlődés körülbelül azonos szakaszában van , ami arra utal, hogy megközelítőleg egy időben keletkeztek [19] . A csillagkeletkezés története azonban halmazról halmazra változik, és bizonyos esetekben egy halmaz különböző csillagpopulációkat tartalmaz. Példa erre a Nagy Magellán-felhőben található gömbhalmazok , amelyek bimodális populációt mutatnak . Korai életkorukban ezek a klaszterek ütközhettek egy óriási molekulafelhővel , ami a csillagkeletkezés új hullámát idézte elő [20] , de ez a csillagkeletkezési időszak viszonylag rövid a gömbhalmazok korához képest [21] .
A gömbhalmazok megfigyelései azt mutatják, hogy főként olyan területeken fordulnak elő, ahol hatékony csillagkeletkezés zajlik, vagyis ahol a csillagközi közeg sűrűsége nagyobb a közönséges csillagkeletkezési régiókhoz képest. A gömbhalmazok kialakulása dominál a csillagkeletkezési kitörésekkel járó régiókban és a kölcsönhatásban lévő galaxisokban [22] . A tanulmányok azt is kimutatták, hogy összefüggés van a központi szupermasszív fekete lyuk tömege és az elliptikus és lencse alakú galaxisok gömbhalmazainak mérete között . Az ilyen galaxisokban lévő fekete lyuk tömege gyakran megközelíti a galaxis gömbhalmazainak teljes tömegét [23] .
Jelenleg nem ismertek aktív csillagképző gömbhalmazok, és ez összhangban van azzal a véleménnyel, hogy ezek általában a legrégebbi objektumok a galaxisban, és nagyon régi csillagokból állnak. A gömbhalmazok előfutárai lehetnek nagyon nagy csillagképző régiók, amelyeket óriáscsillaghalmazoknak neveznek (pl . Westerlund 1 a Tejútrendszerben) [24] .
A gömbhalmazok általában több százezer régi, alacsony fémtartalmú csillagból állnak . A gömbhalmazokban található csillagok típusa hasonló a spirálgalaxisok dudorában lévő csillagokhoz . Hiányzik belőlük a gáz és a por , és azt feltételezik, hogy már régen csillagokká változtak.
A gömbhalmazokban nagy a csillagok koncentrációja - átlagosan körülbelül 0,4 csillag/köbös parszek , a halmaz közepén pedig 100 vagy akár 1000 csillag van köbparszekonként (összehasonlításképpen a Nap közelében a koncentráció kb. 0,12 csillag köbparszekenként) [2] . Úgy gondolják, hogy a gömbhalmazok nem kedveznek a bolygórendszerek létezésének , mivel a sűrű halmazok magjában lévő bolygók pályája dinamikusan instabil a szomszédos csillagok áthaladása által okozott zavarok miatt. 1 AU távolságra keringő bolygó egy sűrű halmaz (például 47 Tucanae ) magjában lévő csillagból elméletileg csak 100 millió évig létezhet [26] . A tudósok azonban felfedeztek egy bolygórendszert a PSR B1620-26 pulzár közelében az M4 gömbhalmazban , de ezek a bolygók valószínűleg a pulzár kialakulásához vezető esemény után jöttek létre [27] .
Egyes gömbhalmazok, mint például az Omega Centauri a Tejútrendszerben és a Mayall II az Androméda-galaxisban , rendkívül nagy tömegűek (több millió naptömeg), és több csillaggenerációból származó csillagokat tartalmaznak. Mindkét halmaz bizonyítéknak tekinthető arra vonatkozóan, hogy a szupermasszív gömbhalmazok képezik az óriásgalaxisok által elnyelt törpegalaxisok magját [28] . A Tejútrendszer gömbhalmazainak körülbelül egynegyede törpegalaxisok része lehetett [29] .
Egyes gömbhalmazok (például M15 ) nagyon masszív magokkal rendelkeznek, amelyek fekete lyukakat tartalmazhatnak , bár a modellezés azt mutatja, hogy a rendelkezésre álló megfigyelési eredményeket egyformán jól magyarázzák a kisebb tömegű fekete lyukak jelenléte és a neutroncsillagok (vagy hatalmas fehér törpék ) koncentrációja. ) [30 ] .
A gömbhalmazok általában II. populációjú csillagokból állnak, amelyekben kevés a nehéz elem. A csillagászok fémeknek nevezik a nehéz elemeket, ezeknek az elemeknek a csillagban való relatív koncentrációját pedig fémességnek. Ezek az elemek a csillagok nukleoszintézisének folyamatában jönnek létre , majd a csillagok új generációjának részét képezik. Így a fémek frakciója jelezheti a csillag korát, az idősebb csillagok pedig általában alacsonyabb fémtartalmúak [32] .
Peter Oosterhof holland csillagász megfigyelte, hogy valószínűleg két gömbhalmaz-populáció létezik, amelyeket "Oosterhof-csoportoknak" neveznek. Mindkét csoportban gyenge a fémes elemek spektrális vonala , de az I. típusú (OoI) csillagok vonalai nem olyan gyengék, mint a II. típusú (OoII), a második csoportban pedig valamivel hosszabb periódusú az RR Lyrae változók [33] . Így az I. típusú csillagokat „fémben gazdag”, a II. típusú csillagokat „alacsony fémtartalmúnak” nevezik. Ez a két populáció számos galaxisban megfigyelhető, különösen a hatalmas ellipszisekben . Mindkét korcsoport majdnem megegyezik magával az Univerzummal , de fémességben különböznek egymástól. Különféle hipotéziseket terjesztettek elő ennek a különbségnek a magyarázatára, ideértve a gázban gazdag galaxisokkal való egyesülést, a törpegalaxisok elnyelését és a csillagkeletkezés több fázisát egyetlen galaxisban. A Tejútrendszerben az alacsony fémtartalmú klaszterek a fényudvarral , míg a fémben gazdag klaszterek a kidudorodással [34] .
A Tejútrendszerben a legtöbb alacsony fémtartalmú halmaz egy sík mentén helyezkedik el a galaxis halójának külső részén. Ez arra utal, hogy a II-es típusú halmazokat egy műholdgalaxisból fogták be, és nem ők a Tejútrendszer gömbhalmazrendszerének legrégebbi tagjai, ahogy korábban gondolták. A kétféle halmaz közötti különbséget ebben az esetben a két galaxis klaszterrendszerének kialakítása közötti késés magyarázza [35] .
A gömbhalmazokban a csillagok sűrűsége nagyon nagy, ezért gyakran fordulnak elő közeli átjárók és ütközések. Ennek következménye, hogy a csillagok egyes egzotikus osztályai (például kék vándorló , ezredmásodperces pulzárok és kis tömegű röntgen binárisok ) nagyobb mennyiségben jelennek meg a gömbhalmazokban . A kék vándorlók két csillag összeolvadásával jönnek létre, valószínűleg kettes rendszerrel való ütközés eredményeként [36] . Egy ilyen csillag forróbb, mint a halmaz többi, azonos fényerővel rendelkező csillaga, és így különbözik a halmaz születése során keletkezett fősorozatú csillagoktól [37] .
Az 1970-es évek óta a csillagászok fekete lyukakat keresnek gömbhalmazokban, de ehhez a feladathoz a teleszkóp nagy felbontására van szükség, így csak a Hubble Űrteleszkóp megjelenésével történt az első megerősített felfedezés. A megfigyelések alapján feltételezték, hogy az Androméda galaxisban egy közepes tömegű fekete lyuk (4000 naptömeg) található az M 15 gömbhalmazban és egy fekete lyuk (~ 2⋅10 4 M ⊙ ) a Mayall II halmazban . [38] . A Mayall II röntgen- és rádiósugárzása egy közepes tömegű fekete lyuknak felel meg [39] . Különösen érdekesek, mert ők az első fekete lyukak, amelyek köztes tömeggel rendelkeznek a hétköznapi csillagtömegű fekete lyukak és a galaxismagokban található szupermasszív fekete lyukak között. A közbenső fekete lyuk tömege arányos a halmaz tömegével, ami kiegészíti a szupermasszív fekete lyukak tömegei és a környező galaxisok között korábban felfedezett kapcsolatot.
A közepes tömegű fekete lyukakra vonatkozó állításokat a tudományos közösség némi szkepticizmussal fogadta. A helyzet az, hogy a gömbhalmazokban a legsűrűbb objektumok fokozatosan lelassítják mozgásukat, és a „tömeges szegregációnak” nevezett folyamat eredményeként a klaszter közepébe kerülnek. A gömbhalmazokban ezek fehér törpék és neutroncsillagok . Holger Baumgardt és munkatársai kutatása megállapította, hogy az M15-ben és a Mayall II-ben a tömeg-fény aránynak erősen növekednie kell a klaszter közepe felé még fekete lyuk jelenléte nélkül is [40] [41] .
A Hertzsprung-Russell diagram (H-R diagram) egy grafikon, amely az abszolút nagyság és a színindex közötti kapcsolatot mutatja . A BV színindex a csillag kék fényének fényereje vagy B és látható fénye (sárga-zöld) vagy V közötti különbség. A BV színindex nagy értékei hideg vörös csillagot jeleznek, míg a negatív értékek forró felületű kék csillagot jeleznek [42] . Ha a Naphoz közeli csillagokat H-R diagramon ábrázoljuk, az a különböző tömegű, korú és összetételű csillagok eloszlását mutatja. A diagramon szereplő csillagok közül sok viszonylag közel van a lejtős görbéhez a bal felső saroktól (nagy fényesség, korai spektrális típusok ) a jobb alsó felé (alacsony fényerő, késői spektrális típusok ). Ezeket a csillagokat fősorozatú csillagoknak nevezzük . A diagram azonban olyan csillagokat is tartalmaz, amelyek a csillagfejlődés későbbi szakaszában vannak, és a fő sorozatból származnak.
Mivel a gömbhalmaz összes csillaga körülbelül azonos távolságra van tőlünk, abszolút nagyságuk körülbelül ugyanannyival tér el a látszólagos nagyságuktól . A gömbhalmaz fősorozatú csillagai hasonlóak a Nap közelében lévő hasonló csillagokhoz, és a fő sorozatvonal mentén sorakoznak fel. Ennek a feltételezésnek a pontosságát megerősítik a közeli, rövid periódusú változócsillagok (például az RR Lyrae ) és a cefeidák magnitúdóinak a halmazban lévő azonos típusú csillagokkal való összehasonlításával kapott összehasonlítható eredmények [43] .
A H-R diagram görbéit összehasonlítva meghatározható a halmaz fősorozatának csillagainak abszolút nagysága. Ez viszont lehetővé teszi a klaszter távolságának becslését a látszólagos csillagnagyság értéke alapján. A relatív és abszolút értékek különbsége, a távolságmodulus becslést ad a távolságra [44] .
Ha egy gömbhalmaz csillagait G-R diagramon ábrázoljuk, akkor sok esetben szinte az összes csillag egy meglehetősen határozott görbére esik, ami eltér a Nap közelében lévő csillagok G-R diagramjától, amely a különböző korú és eredetű csillagokat egyesíti egybe. egész. A gömbhalmazok görbéjének alakja olyan csillagcsoportok jellemzője, amelyek nagyjából egy időben keletkeztek azonos anyagokból, és csak a kezdeti tömegükben különböznek egymástól. Mivel az egyes csillagok helyzete a H-R diagramon az életkortól függ, a gömbhalmaz görbéjének alakja felhasználható a csillagpopuláció teljes életkorának becslésére [45] .
A fő sorozat legmasszívabb csillagainak lesz a legnagyobb abszolút magnitúdója, és ezek a csillagok lépnek először az óriás színpadra . A halmaz öregedésével a kisebb tömegű csillagok elkezdenek átmenni az óriásstádiumba, így az egyik típusú csillagpopulációval rendelkező halmaz életkorát meg lehet mérni, ha olyan csillagokat keresünk, amelyek csak most kezdenek átlépni az óriásstádiumba. A H-R diagramban „térdet” alkotnak, a jobb felső sarokba forgatva a fő sorozatvonalhoz képest. Az abszolút nagyság a fordulópont tartományában a gömbhalmaz korától függ, így a korskála a magnitúdóval párhuzamos tengelyen ábrázolható .
Ezenkívül egy gömbhalmaz kora meghatározható a leghidegebb fehér törpék hőmérsékletéből . A számítások eredményeként kiderült, hogy a gömbhalmazok tipikus kora elérheti a 12,7 milliárd évet is [46] . Ebben jelentősen eltérnek a nyílt csillaghalmazoktól, amelyek mindössze néhány tízmillió évesek.
A gömbhalmazok kora korlátot szab az egész Univerzum korhatárának. Ez az alsó határ jelentős akadályt jelent a kozmológiában . Az 1990-es évek elején a csillagászok a gömbhalmazok korára vonatkozó becslésekkel szembesültek, amelyek régebbiek voltak, mint amit a kozmológiai modellek sugalltak. A kozmológiai paraméterek mély égbolt-felméréseken keresztül végzett részletes mérései és a COBE -hoz hasonló műholdak jelenléte azonban megoldotta ezt a problémát.
A gömbhalmazok evolúciójának tanulmányozása felhasználható a halmazt alkotó gáz és por kombinációjából adódó változások meghatározására is. A gömbhalmazok vizsgálatából nyert adatokat ezután a teljes Tejútrendszer evolúciójának tanulmányozására használják [47] .
A gömbhalmazokban vannak olyan csillagok, amelyeket kék kóborlónak neveznek, és úgy tűnik, hogy továbbra is lefelé haladnak a fő sorozatban a világosabb kék csillagok felé. E csillagok eredete máig tisztázatlan, de a legtöbb modell azt sugallja, hogy ezeknek a csillagoknak a kialakulása a kettős és hármas rendszerek csillagai közötti tömegátadás eredménye [36] .
A gömbhalmazok galaxisunk kollektív tagjai, és gömb alakú alrendszerének részét képezik : a galaxis tömegközéppontja körül keringenek nagyon megnyúlt pályákon , ≈200 km/s sebességgel és 108-109 éves keringési periódussal . A galaxisunkban a gömbhalmazok kora közeledik a korához, amit Hertzsprung-Russell diagramjaik is megerősítenek , amelyek a kék oldalon egy jellegzetes törést tartalmaznak a fő sorozatban , jelezve a halmazhoz tartozó hatalmas csillagok vörössé átalakulását. óriások .
A nyílt halmazokkal és csillagtársításokkal ellentétben a gömbhalmazok csillagközi közege kevés gázt tartalmaz. Ezt a tényt egyrészt az alacsony parabola-sebesség , amely ≈10-30 km/s, másrészt a nagy koruk magyarázza. Egy további tényező nyilvánvalóan a Galaxisunk középpontja körüli, annak síkján keresztül történő, rendszeres áthaladás a forradalom során, amelyben a gázfelhők koncentrálódnak, ami hozzájárul a saját gáz "kisöpréséhez" az ilyen áthaladások során.
Más galaxisokban (például a Magellán-felhőkben ) viszonylag fiatal gömbhalmazok is megfigyelhetők.
Az LMC és MMO gömbhalmazainak többsége fiatal csillagokhoz tartozik, ellentétben a galaxisunkban található gömbhalmazokkal, és többnyire elmerülnek a csillagközi gázban és porban. Például a Tarantula-ködöt kék-fehér csillagok fiatal gömbhalmazai veszik körül. A köd közepén egy fiatal, fényes halmaz található.
Gömbös csillaghalmazok az Androméda galaxisban (M31):
Név | G1 | G76 | G280 | G78 | G213 | G272 | G72 | G119 | G64 | G219 | G257 | G172 | G302 | G244 | G256 | G279 | G96 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Nagyságrend | 13.7 | tizennégy | tizennégy | 14.3 | 14.7 | 14.8 | tizenöt | tizenöt | 15.1 | 15.1 | 15.1 | 15.2 | 15.2 | 15.3 | 15.3 | 15.4 | 15.5 |
Az M31 gömbhalmazok többségének megfigyeléséhez 10 hüvelyk átmérőjű teleszkópra van szükség, a legfényesebb egy 5 hüvelykes távcsőben látható. Az átlagos nagyítás 150-180-szoros, a távcső optikai sémája nem számít.
A G1 klaszter ( Mayall II ) a helyi csoport legfényesebb klasztere, 170 000 ly távolságra. évek.
![]() | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|
csillagrendszerek | |
---|---|
A gravitáció köti | |
Nem köti a gravitáció | |
Vizuálisan kapcsolódik |