Nyílthalmazok

 A nyílthalmazok alapvető tulajdonságai

 

Az első nyílthalmazokat már a prehisztorikus időkben felfedezték: a Hyadokat (Ὑάδες, az ókori görög mitológiában az eső hozó nimfák), a Fiastyúkot (Πλειάδες, 7 nővér, szintén nimfák az ókori görög mitológiából, ez a Messier 45), és a Praesepe-t (a latin szó, jelentése jászol, vagy méhkaptár M44). Ptolemaios ezek mellett megemlíti az M7-et és a Coma nyílthalmazt. Utóbbi nem szerepel Messier katalógusában, de Philibert Jacques Melotte felsorolja (Mel 111). Vitatták, hogy a látható tartományban kis sűrűségű Mel 111 csillagcsoport nyílthalmaz-e és csak Trumpler (1938) igazolta, hogy valóban az.

A nyílthalmazok 100-1000 csillag laza társulásai, gyakran látszanak együtt reflexiós ködökkel, melyek a halmaz szórt fényétől ragyognak.

A Tejút sávjában látszanak, kis excentricitású és kis inklinációjú pályákon mozogva a Korongban. A nyílthalmazok galaktikus szélessége általában kicsi, de a legközelebbi nyílthalmazok kivételek, mint például a Coma nyílthalmaz is, ami az Északi Galaktikus Pólus (NGP) közelében látható. Általában fiatal (t < 109 év), fémgazdag ( ) csillagok alkotják a nyílthalmazokat. Vannak azonban az átlagnál még 5-9-szer idősebb nyílthalmazok is (lásd például: Friel, 1995). A Berkeley 17-es nyílthalmaz például kb. 10 milliárd éves, és átlagos fémtartalma   (Phelps 1997, Krusberg és Chaboyer 2006). Eddig kb. 1500 nyílthalmazt ismerünk, de számuk akár 10000 is lehet, melyet infravörös tartományban észlelve lehet majd pontosabban meghatározni, hiszen a csillagközi extinkció a Galaktika korongjában a távoli halmazokat elfedi előlünk a látható hullámhosszakon. A nyílthalmazok átmérője: 2-10 pc, a relaxációs idő: 107év.

2.4. ábra: Az NGC457 „Bagoly” egyik fiatal (21 millió éves Frinchaboy et al. 2008) nyílthalmaz, (kép: https://digitalstars.wordpress.com/2010/09/07/ngc457-the-owl-cluster/).

2.2.2. A nyílthalmazok HRD-je

A nyílthalmazok szín-fényesség diagramján szembeötlő, hogy akár a legnagyobb tömegű kék fősorozati csillagokat is megtalálhatjuk (a halmaz korától függően). Az úgynevezett lefordulási pont helye jelzi számunkra a halmaz korát. Az adott fémesség mellett a halmaz korának függvénye, hogy milyen tömegű csillagokig benépesített a fősorozat, azaz mely tömegektől találjuk a csillagokat már a fősorozattól „elfejlődve”.

2.5. a) ábra: Szín-fényesség diagram a Fiastyúk nyílthalmazra (Sanner & Geert 2001)

2.5. b) ábra: Közeli-infravörös szín-fényesség diagram 6 nyílthalmazra. A fekete köröcskékkel jelölt csillagok sajátmozgásuk szerint az adott halmazhoz tartoznak, az x-szel jelöltek nem. A felső sorban az NGC 129 és NGC381 nyílthalmazok 77 millió illetve 320 millió évesek, míg az NGC457 „Bagoly” nyílthalmaz csak kb. 21 millió éves. Az alsó sor halmazai az NGC 381-hez hasonló korúak (Frinchaboy & Majewski 2008).

2.2.3. A nullakorú fősorozat (ZAMS)

A fiatal nyílthalmazok távolságát meghatározva ezek HRD-n elhelyezhetők. A fősorozatról még le nem fordult csillagok sokaságával meghatározható az úgynevezett nulla korú fősorozat (zero age main sequence, ZAMS) vonala a HRD-n. Ez az a vonal ahova a fősorozat „előtti” fejlődés vezet, ennek megállapítása tehát határfeltételt ad a fiatal csillagok fejlődési elméleteinek. A ZAMS természetesen függ a fémtartalomtól, az azonos tömegű fémszegény csillagok forróbbak és kisebb sugarúak (Posl 2011). Tömege függvényében a csillag változó időt tölt a fősorozaton. A lefordulási pont, azaz az elfejlődés helye a HRD-n, és az elfejlődés ideje a csillagfejlődési elméletekből számítható.

2.6. ábra: Nullakorú fősorozat (ZAMS) fémgazdag (kék folytonos, X =0.7, Z = 0.02); és fémszegény (piros szaggatott, X =0.757, Z = 0.001) csillagokra. A + jelek a különböző tömegű csillagokat jelölik 0,1 M⊙-től 100 M⊙-ig. Az azonos tömegű fémszegény csillagok forróbbak és kisebb sugarúak (Posl 2011).

2.2.4. Nyílthalmazok kora

A csillaghalmaz korának kiszámításakor feltételezzük, hogy csillagai nagyjából egy időben, és hasonló fémtartalommal keletkeztek. Általában csillagfejlődési modellek görbéit illesztjük a HRD-n a megfigyelt eloszlásra. A szín-fényesség diagramon az azonos fémességű és korú, de különböző tömegű csillagokat összekötő elméleti görbe (izochron) illesztése adja meg a halmaz korát. Az eljárás során lényegében azt feltételezzük, hogy a halmaz csillagai egyidősek, csak a tömegük más, így a HRD-n izochronokat alkotnak. A lefordulási pont annál lejjebb van a fősorozaton, minél idősebb a halmaz. A 2.7. ábrákon a nyílthalmazokra különböző izochronokat látunk. A távolság ismeretében a kort és fémtartalmat a megfigyelt eloszlás szórásától függő pontossággal határozzuk meg.

2.7. a) ábra: A Hyadok nyílthalmaz HRD-je különféle He tartalom, fémesség és kor feltételezésével rajzolt izochronokkal. A modellek egy fémgazdag és kb. 630 millió éves halmazt jeleznek (de Bruijne et al. 2001).

2.7 b) ábra: Szín-abszolút fényesség diagramok. Az α Per nyílthalmazra (felső sor) a pontozott, folytonos és szaggatott vonalak rendre  2 ×107, 4×107 and 6×107 éves izochronok. A Fiastyúkra (alsó sor) a pontozott, folytonos és szaggatott vonalak rendre   5 ×107, 8×107 and 1,1×108 éves izochronok. Az ábra alapján a Fiastyúk 90, az α Per nyílthalmaz 40 millió éves (Siess et al. 1997).

2.7. c) ábra: A Be 17 nyílthalmaz szín-fényesség diagramjai, a 9, 10 és 11 milliárd éves izochronokkal (Krusberg és Chaboyer 2006). Ez az egyik legöregebb ismert nyílthalmaz

A csillaghalmaz korát közvetlenül a lefordulási pont helyzetéből is megbecsülhetjük. A fősorozati csillagokra a tömeg luminozitás reláció szerint

ahol:  

Az alacsonyabb   értékek a kisebb tömegű ( ) csillagokra érvényesek, a Napra  . A közepes és nagytömegű ( ) csillagokra érvényes az általánosan használt közelítő érték 3,5. A   fősorozati várható élettartam:

ahol   a kezdeti relatív hidrogén gyakoriság;   az effektív magtömeg-arány;  a magreakció hatékonysága. A   értékeit lásd a 2.8. ábrán. Vegyük észre, hogy nem független az   tömegtől, hiszen a p-p, vagy CNO reakció dominanciája tömegfüggő

Ahogyan azt a 2.5 és 2.7 ábrasorokon látjuk, a halmazok HRD-jén a fősorozat csak egy adott tömegig benépesített  . Az   lefordulási tömeg (turnoff mass) a 2. egyenlet szerint természetesen a halmaz inlinemediaobject  korának függvénye:

ahol:  (2.3)

2.8. ábra: Az azonos időben keletkezett halmaztag csillagok elhelyezkedésének időbeli változása a HRD-n - vázlatos szemléltetés https://astro.berkeley.edu/~dperley/univage/univage.html

Halmaz

Kor [millió év]

Távolság [kpc]

Galaktocentrikus távolság [kpc]

Berkeley 81

1000

3

5,8

NGC 4815

500

2,5

6,9

NGC 6705

275±25

1,9