Hertzsprung-Russel diagram

I ett Hertzsprung-Russell-diagram, eller HR-diagram, visas stjärnors luminositet eller absoluta ljusstyrka mot något mått på deras temperatur, spektraltyp eller färg. När värden för många stjärnor ritas in i diagrammet ser man en struktur; stjärnorna grupperar sig efter i vilken fas av livet de befinner sig. Därför kommer en viss stjärnas position i diagrammet avslöja vad just den stjärnan har för historia och framtid.

Förkunskaper och koppling till det centrala innehållet

Det är lämpligt att gå igenom svartkroppsstrålning, samt begreppen absolut magnitud och luminositet innan eleverna får arbeta med denna uppgift.
Uppgiften kan kopplas till följande centrala innehåll i fysik 2:

  • Orientering om aktuella modeller och teorier för beskrivning av universums storskaliga utveckling, och av galax- stjärn- och planetbildning.
  • Metoder för att undersöka universum. Elektromagnetisk strålning från stjärnor och interstellära rymden

Elevernas uppgift

När stjärnors utveckling ska studeras är HR-diagrammet ett viktigt verktyg. I denna uppgift ska du först själv ta fram ett sådant diagram, och sen använda diagrammet för att besvara olika frågor.

I ett HR-diagram är skalorna logaritmiska. På y-axeln visas stjärnornas luminositet eller absoluta ljusstyrka. Luminositeten definieras som den effekt en stjärna strålar ut, oftast som synligt ljus, ibland som totalt utstrålad effekt. I HR-diagrammet är luminositeten ofta omskalad så att solens luminositet sätts till 1. Magnitud är ett annat mått på hur ljusstark en stjärna är. Absolut magnitud anger hur ljusstark stjärnan skulle ha varit om den befunnit sig på ett avstånd av 10 parsec, cirka 33 ljusår, från oss.

På x-axeln visas stjärnans spektralklass, temperatur och färg. Spektralklasserna var från början en indelning i alfabetisk ordning efter vilka spektrallinjer man såg i stjärnornas spektra. När man lärde sig mer om stjärnorna insåg man att en annan ordning är mer fysikalisk och användbar. För att komma ihåg spektralklassernas ordning, O B A F G K M, kan man lära sig en ramsa: Oh, Be A Fine Guy/Girl, Kiss Me.

Färgen anges med ett färgindex, B-V, som anger hur mycket ljus en stjärna skickar ut i ett blått våglängdsintervall jämfört med hur mycket ljus stjärnan skickar ut i ett våglängdsintervall mitt i det synliga spektrumet. Heta stjärnor skickar ut mer blått ljus än kalla stjärnor, enligt Plancks strålningslag.

1. Skriv ut ett tomt HR-diagram från röntgensatelliten Chandras webbplats:

Tomt HR-diagram

2.  Använd de två tabellerna med stjärnor och deras spektralklass och absoluta magnitud från samma webbplats:

Tabeller

Rita in stjärnornas positioner i det tomma HR-diagrammet. I tabellerna har spektralklassen specificerats med ett tal mellan 0 och 9, där 9 anger att stjärnan nästan hör till efterföljande spektralklass. Markera stjärnorna i tabell A med cirklar, och de i tabell B med trianglar. Vissa stjärnor återfinns  i båda tabellerna, låt dessa få en fylld cirkel.

3.  Besvara sedan följande frågor:

  • Varför behövdes det två olika tabeller för att skapa diagrammet?
  • Identifiera den så kallade huvudserien som löper från övre vänstra hörnet  ner till nedre högra hörnet i HR-diagrammet. De stjärnor som befinner sig här fusionerar väte till helium i sina centra. Vad är det som bestämmer var  på huvudserien som en viss stjärna befinner sig?
  • Var på huvudserien hittar vi de äldsta stjärnorna? Varför?
  • Ta reda på vad som karakteriserar jättar respektive vita dvärgar,  och markera var dessa befinner sig i diagrammet.
  • Var i diagrammet befinner sig vår sol, och hur kommer dess position i HR- diagrammet att förändras i framtiden?

Kommentar till läraren

Denna uppgift kan lätt byggas ut, tips om detta finns t ex i länken från Harvard nedan.

Röntgensatelliten Chandra

Lösningsförslag

Det ifyllda HR-diagrammet finns här (dock kompletterat med punkter som visar några pulserande variabla stjärnor)

Ifyllt HR-program

För att se hela HR-diagrammet behöver vi ta med både stjärnor med stor absolut magnitud, vilka saknas i vår närhet, och stjärnor med liten absolut magnitud, vilka inte kommer med om man bara väljer ut de ljusstarkaste objekten.

Var på huvudserien en viss stjärna är placerad beror på vilken massa den har. Tunga stjärnor återfinns i övre vänstra hörnet och lätta stjärnor hittas i nedre högra hörnet.

Ju mer massiv en stjärna är, desto snabbare kommer den att förbränna sitt väte. Därför åldras stjärnor med stor massa snabbare än de med liten massa, och de lämnar då huvudserien. De äldsta stjärnorna hittar vi därför långt ner till höger i HR-diagrammet.

Jättar är åldrade stjärnor som svällt när allt väte i stjärnans centrum omvandlats till helium.

Vita dvärgar är stjärnor med ungefär samma massa som solen. De är döda i den bemärkelsen att deras tryck och temperatur inte längre är tillräckligt stora för att hålla igång någon fusionsprocess.

Solen är placerad ungefär mitt på huvudserien där den befunnit sig i ungefär fem miljarder år, och där den kommer att stanna ungefär lika länge till. Sen övergår den till att bli en röd jätte och flyttar upp åt höger i  diagrammet innan den krymper ihop till en vit dvärg och åker ner till vänster i diagrammet. Läs mer, samt se solens vandring över diagrammet här:

Läs mer och se solens vandring

Senast granskad: 2014-05-05