Cepheids - herausragende Meilensteine ​​des Universums

... sie gaben den zuverlässigsten Weg
Definition großer Entfernungen.
Aber die ganze Geschichte der Astronomie ist eine Debatte
über Entfernungen. Zuerst zum Mond und zur Sonne,
dann zu Sternen, Nebeln und Galaxien.
Harlow Shapley , Astronom

Es gibt nur wenige hundert dieser seltenen Sterne in unserer Galaxie. Diese Sterne ändern rhythmisch ihre Helligkeit mit Perioden von mehreren zehn Tagen. Ihr Prototyp ist der Stern Alredif - δ Cepheus, zu denen auch Polar - α Ursa Minoris gehört.

Mit Hilfe dieser Sterne schätzen sie erfolgreich die Entfernungen zu nahe gelegenen Galaxien in einer Entfernung von bis zu 30 Millionen Parsec.

Die Sterne, die in der Astronomie eine herausragende Rolle gespielt haben und weiterhin spielen, die Sterne, die den Horizont des Weltraums in die unendliche Welt der Galaxien verschoben haben, die gelben Super- und Hypergier sind klassische Cepheiden .


Cepheid SU Cassiopeia in der 1411 St. Jahre von der Erde entfernt, umgeben vom vdB 9-Nebel.
Dunkle Staubwolken, die Licht absorbieren, sind sichtbar. Der Staub reflektiert das Licht der Cepheiden und verleiht dem vdB 9 eine charakteristische blaue Farbe, die für reflektierende Nebel typisch ist.
Das Bild umfasst eine Fläche von ca. 24 st. Jahre alt.

Heute sind Cepheiden einer der unverzichtbarsten Sterne des Universums für Astrophysiker. „Es sind„ Standardkerzen “, Objekte mit bekannter Leuchtkraft, mit denen man mit photometrischen Methoden Entfernungen im Raum genau berechnen kann.

Cepheiden haben eine klare mathematische Abhängigkeit von der Periodenhelligkeit, die 1908 von Henrietta Leavitt bei der Beobachtung von Cepheiden in der kleinen Magellanschen Wolke eingeführt wurde. Daraus folgt, dass die Leuchtkraft des Sterns umso größer ist, je länger die Cepheid pulsiert. Wenn Sie also den letzten Wert mit seiner scheinbaren Brillanz vergleichen, können Sie die Entfernung zur Cepheid sowie zu der Galaxie, in der sie sich befindet, ermitteln.

Doch zu Beginn des 20. Jahrhunderts ist die astronomische Welt zuversichtlich, dass das Universum aus einer einzigen Galaxie besteht - unserer Milchstraße. Zwar gibt es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft bereits aktive Diskussionen über die Entfernungen zu Spiralnebeln.

Der Zusammenbruch der monogalaktischen Welt beginnt mit dem estnischen Astronomen Ernst Epik. - Basierend auf dynamischen Überlegungen und Daten zur Rotation des Andromeda-Nebels schätzt er 1922 die Entfernung auf 450 Kiloparsek (der aktuelle Wert liegt bei 772 Kiloparsek oder 2,5 Millionen Lichtjahren).

1923 bestimmt Edwin Hubble, der am Mount Wilson Observatory mit einem 100-Zoll-Teleskop fotografische Platten untersucht, die Entfernung zum Andromeda-Nebel von den 36 darin gefundenen variablen Sternen. Und obwohl die ersten Schätzungen etwa 250 Kiloparsek betrugen, bestätigten selbst diese Werte endgültig und eindeutig die extragalaktische Natur des Nebels.

Jetzt betrachten wir das Universum genau als die Welt der Galaxien.


E. Hubbles Markierungen im Einschub in der unteren rechten Ecke.

Im Vergleich verschiedener Fotoplatten versuchte E. Hubble, neue zu finden - Sterne, bei denen die Strahlungshelligkeit plötzlich anstieg. Er fand mehrere dieser Sterne und markierte sie mit dem Buchstaben „N“. Wenig später entdeckte er, dass einer der offenen Sterne in der oberen rechten Ecke (er ist mit Linien markiert) nicht neu ist, sondern ein variabler Stern wie die Cepheiden. Dann hat er "N" durchgestrichen und "VAR!" (Englische Variable - Variable) geschrieben.
In der oberen rechten Ecke ist ein modernes Hubble-Bild zu sehen, das fast 90 Jahre später aufgenommen wurde.

Cepheiden - variable Sterne

Die Brillanz eines Sterns ändert sich mit der Zeit auf die eine oder andere Weise. Somit ändert sich die von der Sonne freigesetzte Energiemenge während des bekannten elfjährigen Sonnenzyklus um ~ 0,1%. Aber mit aller Sicherheit kann man sagen, dass die Sonne ein konstanter Stern ist.

Aber Cepheiden, die zu einer großen und vielfältigen Familie variabler Sterne gehören, deren Gesamtzahl in unserer Galaxie bereits mehr als Hunderttausende beträgt, können innerhalb weniger Tage eine Änderung der freigesetzten Energie von bis zu 600% bewirken.


Helligkeitsänderungen von Cepheid V1 in der Andromeda-Galaxie über einen Zeitraum von 31,4 Tagen.
Foto des Hubble-Teleskops.


Diagramm der Helligkeitsänderungen desselben Sterns. Deutlich erkennbar sind ein starker Anstieg der Cepheiden und ein sanfter Helligkeitsabfall.
Rote Punkte - Beobachtungen von Amateurastronomen, gelbe Sterne - Daten aus dem Hubble-Teleskop.

Manchmal wird die Variabilität von Sternen aus rein geometrischen Gründen verursacht. Zum Beispiel verdeckt in einem engen binären Sternensystem einfach ein Stern in regelmäßigen Abständen den anderen und es scheint uns, dass der Stern heller oder schwächer wird.

Die Variabilität der Sterne hängt jedoch häufiger mit ihrem physischen Zustand zusammen, mit sehr realen Änderungen der Oberflächentemperatur und des Radius der Sonnen. Der Grund dafür sind die radialen Pulsationen der Sternatmosphäre, in denen sich Partikel vertikal auf und ab bewegen. - Die Atmosphäre zieht sich periodisch zusammen und dehnt sich aus, während Oberflächentemperatur, Leuchtkraft und Radius (bis zu 15%) des Sterns geändert werden. Tiefere Sternschichten beeinflussen diese Pulsationen nicht.


Sonne und pulsierende Cepheide im Maßstab.


Und warum zum Beispiel pulsiert unsere Sonne nicht? Mal sehen, wie sich die sonnenähnlichen Sterne von den klassischen Cepheiden unterscheiden.

Zwerge und Riesen

Cepheiden sind massive Sterne mit einem Sonnengewicht von 4 bis 12, in der Vergangenheit blaue heiße Riesen der Spektralklasse B.

Dies sind kurzlebige Sterne, die nur einige zehn Millionen Jahre alt sind. Sie haben sich bereits weiterentwickelt, haben Wasserstoff im Kern erschöpft und sind zum Stadium der Heliumverbrennung übergegangen (Wasserstoff in unserer Sonne wird für weitere 6,4 Milliarden Jahre brennen).

Jetzt sind die Temperaturen auf ihren Oberflächen ziemlich niedrig, ungefähr 6.000 Grad, was sie in die gelb- und weißgelben Spektralklassen F und G einteilt (die Sonne gehört auch zur Klasse G).
Die Radien dieser Super- und Hypergiganten betragen jedoch 50-70 Sonnenstrahlen, und die Leuchtkräfte der Cepheiden übertreffen die Sonnenstrahlen um Tausende oder sogar Zehntausende Male. Daher sind diese Sterne aus signifikanten, insbesondere intergalaktischen Entfernungen sichtbar. Es ist kein Zufall, dass Cepheiden "Leuchtfeuer des Universums" genannt werden.


NGC 4603 mit 36 ​​festen Cepheiden. - Eine der am weitesten entfernten Galaxien, in denen sich einzelne Sterne noch unterscheiden. (Helle Sterne mit Beugungsspitzen sind Objekte unserer Galaxie.)
Es ist bei 108 Millionen St. gelegen Jahre von uns. Hubble Foto.

Alle massereichen Sterne durchlaufen während ihrer Entwicklung früher oder später die Ära der Instabilität (oder den Instabilitätsstreifen im Hertzsprung-Russell-Diagramm ). Außerdem kommt es je nach Masse mehrfach vor.

Cepheiden sind hier keine Ausnahme - diese Sterne befinden sich in einer so "unruhigen Zeit" ihres Lebens. - Im Kern verbrennen sie Helium, während die Sterne komplexe evolutionäre Veränderungen durchlaufen. Abhängig von der Masse und dem Alter des Sterns dauern diese Instabilitätsstadien 10 bis 350.000 Jahre. Während dieser kurzen Zeit während der Pulsationen schleudert der Stern einen erheblichen Teil seiner Masse in den interstellaren Raum und kehrt dadurch in einen stabilen Zustand zurück. Man kann mit Sicherheit sagen, dass Cepheiden nicht geboren werden - sie werden zu Cepheiden.

M. Schwarzschild hat einmal gesagt: „Wenn sich ein Stern im Cepheid-Streifen befindet, ähnelt er einer Person mit Masern. "Wenn ein Mensch krank ist, kann man das auf den ersten Blick sehen, aber nach der Genesung kann man nicht mehr sagen, ob er jemals an Masern erkrankt war oder nicht."

Warum pochen sie?

Astrophysiker konnten lange Zeit die Ursachen solcher Pulsationen nicht finden. Immerhin ist ein Stern im Gleichgewicht zweier Kräfte - Gasinnendruck und Schwerkraft. Wenn ein solches System aus dem Gleichgewicht gebracht wird, dämpfen sich die darin befindlichen freien Schwingungen ohne Energiezufuhr schnell und das System kommt wieder zum Gleichgewicht. Berechnungen zeigen, dass es ausreicht, wenn ein Stern 5-10.000 Schwingungen ausführt (dies sind ungefähr 100 Jahre), um ein Gleichgewicht zu erreichen. Das gleiche Cepheus-Delta, das bereits 1784 entdeckt wurde, pulsiert jedoch mit unveränderlicher Kraft.

Was lässt die Sternatmosphäre pulsieren, wenn die Energie aus der Kernfusion tief im Darm erzeugt wird und in der Atmosphäre selbst keine Energiequellen vorhanden sind? Immerhin ist die Pulsationsperiode der Cepheiden der wichtigste Parameter, mit dem Wissen, welchen Abstand Sie zu diesem Stern bestimmen können.

In Sternen wie unserer Sonne, dichten Zwergen, beruht die Energieübertragung an der Oberfläche auf Konvektion - einfachem Mischen von Materie. - Kalte Schichten fallen ab, heiße Schichten, die durch Energie aus dem Kern von unten erwärmt werden, steigen auf.

Die Oberflächengravitation der Zwerge ist groß, die Substanz in der Nähe der Atmosphäre ist dicht und wenig transparent, und auf andere Weise kann die Energie nicht an die Oberfläche gebracht werden.

Im Gegensatz dazu sind bei Riesen die oberen Schichten dünn und transparent, wodurch Energie durch Strahlungsübertragung (von einem Teilchen auf ein anderes zurückgestrahlt) auf die Oberfläche übertragen wird.



Stellen Sie sich nun eine Situation vor, in der ein Riese in der Photosphäre (dem unteren Teil der Atmosphäre) eine dünne Gasschicht aufweist, die mit zunehmender Temperatur ihre Transparenz verliert. Was passiert dann? - Wenn ein Stern komprimiert wird, stößt die Strahlung, die aus seinem Darm an die Oberfläche kommt, gegen diese undurchsichtige heiße Schicht. Gleichzeitig erwärmt die Energie es noch mehr und die Schicht dehnt sich aus, wie bei jedem normalen Gas. Beim Aufweiten kühlt es ab und verliert an Deckkraft. Energie bricht aus und jetzt herrscht die Schwerkraft über den Gasdruck - der Stern zieht sich wieder zusammen. Und so im Kreis.

Dieser Mechanismus des Pulsierens der Sternatmosphäre wird als "Ventilmechanismus" bezeichnet (analog zu einer Wärmekraftmaschine, bei der der Wärmeabfluss während der Verdichtung über Ventile erfolgt).

Ein anderer gebräuchlicher Name für diesen Mechanismus ist der Kappa-Mechanismus, da die Opazität der Sternmaterie in der Astrophysik üblicherweise mit dem griechischen Buchstaben κ (Kappa) bezeichnet wird.

Die Hauptrolle in diesem Mechanismus spielt die sogenannte Zone der doppelten kritischen Ionisation von Helium. Dies ist die Zone, in der das Helium während des Pulsationszyklus entweder zu einem „bloßen“ Kern ionisiert oder wieder zu einem einmal ionisierten Zustand rekombiniert wird. (Eine wichtige Eigenschaft von Helium ist, dass es einmal ionisiert ist - es ist viel transparenter als wenn alle zwei Elektronen abgerissen wurden). Beim Komprimieren steigt die Temperatur und je mehr Helium erhitzt wird, desto mehr wird ionisiert. Es braucht Energie, die sich also in dieser Schicht verzögert. Während der anschließenden Expansion rekombiniert Helium (bindet ein Elektron und wird einmal ionisiert), die Energie wird hervorgehoben und verlässt die Zone.


Das Prinzip des κ-Mechanismus.
Rote Pfeile zeigen die Energie an, die aus dem Inneren des Sterns kommt, die blaue Schwerkraft.

In den 1950er Jahren entdeckte S. A. Zhevakin, ein sowjetischer Physiker, der die Idee des „Ventilmechanismus“ von Eddington entwickelte, diese spezielle Variante des κ-Mechanismus, der für die Pulsation variabler Sterne vieler Arten verantwortlich ist, insbesondere Cepheiden, Variablen des Typs RR Lyrae und viele andere.

Warum hat sich E. Hubble geirrt?

Wenn die klassischen Cepheiden so genaue Entfernungsmesser sind, dass der Fehler bei der Bestimmung von Entfernungen sogar zu entfernten Galaxien etwa 15 bis 20% beträgt, warum hat E. Hubble mit dem Andromeda-Nebel dann 300% gemacht?

Zuvor wurden alle Sterne, die Cepheiden in der Lichtkurvenmorphologie ähnlich waren, wahllos zu Cepheiden gezählt. Den Unterschied entdeckten die Astronomen erst in den 1940er Jahren, als sich herausstellte, dass auch echte Cepheiden in zwei völlig unterschiedliche Sterntypen unterteilt sind: Cepheiden vom Typ I - unsere klassischen Cepheiden und Cepheiden vom Typ II oder Variablen vom Typ W der Jungfrau . Die Leuchtkraft der letzteren ist um ein Vielfaches geringer als die der klassischen. Variablen vom Typ W Virgo oder Cepheids von Kugelsternhaufen haben, obwohl sie in ihren Eigenschaften den klassischen Cepheids nahe kommen, leicht unterschiedliche Parameter und Pulsationsperioden.

1918 überarbeitete H. Shapley, ein bekannter Forscher variabler Sterne, die Periodenhelligkeitsabhängigkeit und schloss alle Cepheiden in eine einzige Kalibrierung ein. (Heute wissen wir, dass die Shapley-Stichprobe heterogen war und nicht alle diese Sterne für den gleichen Zeitraum dieselbe Leuchtkraft haben). Hubble hat also bei der Betrachtung der klassischen Cepheiden des Andromeda-Nebels die für sie erforderlichen Formeln nicht angewendet, weshalb ein solcher systematischer Fehler in Bezug auf die Entfernung auftrat.

Wie viel "Warten am Meer auf das Wetter"?

Unsere klassischen Cepheiden gelten als langfristige Variablen. Die Perioden ihrer Pulsationen erreichen 200 Tage. Cepheiden vom Typ II - bis zu 35 Tage.


Cepheiden verschiedener Perioden in der Galaxie NGC 5584 in 70 Millionen St. Jahre alt.
Hubble-Foto im UV-, sichtbaren und Infrarotbereich.

Die Perioden der klassischen Cepheiden hängen nicht nur von ihrer Masse, sondern auch vom Alter ab - mit der Entwicklung der Cepheide nimmt ihre Periode ab: Für ein Alter von ~ 10 Millionen Jahren beträgt die Periode etwa 50 Tage und für ein Alter von ~ 100 Millionen Jahren etwa einen Tag.

Ein anschauliches Beispiel für diese Abhängigkeit ist unser alter Polarstern (α Ursa Minorum) mit einem Alter von 60 Millionen Jahren und einem Zeitraum von 3,97 Tagen. In den späten 1980er Jahren. es wurde eine deutliche Abnahme der Amplitude seiner Pulsationen festgestellt. Es wurde erwartet, dass bis Mitte der 1990er Jahre. Polar wird überhaupt nicht mehr Cepheid sein. Wenn Polyarnaya aufhören würde zu pulsieren, wäre dies der erste entdeckte Fall, in dem Cepheid-Pulsationen aufhören.

Die Daten der letzten Jahre zeigen jedoch, dass die Abnahme der Amplitude der Pulsationen des Polyarnaya um 1993 abrupt aufhörte und sich seitdem die Amplitude der Helligkeitsänderungen nicht geändert hat.

Hubble-Konstantendefinition

Die Aufgabe, die Hubble-Konstante zu bestimmen, ist nach wie vor sehr aktuell, da die Größe des Universums, seine durchschnittliche Dichte und sein Alter von seinem Wert abhängen. - Die Hubble-Konstante gibt an, mit welcher Geschwindigkeit sich das Universum vom ursprünglichen „Urknall“ aus ausdehnt und mit welcher Geschwindigkeit die Abstände zwischen Galaxienhaufen kontinuierlich zunehmen.

Für eine der Methoden zur Messung der Hubble-Konstante müssen Sie den Abstand zu den Galaxien kennen (dieser Wert ist im Hubble-Gesetz enthalten ). Natürlich kommen Cepheiden zur Rettung. Es werden Sterne zwischen ~ 12 und ~ 100 Millionen sv benötigt. Jahre alt. - Bei größeren Entfernungen unterscheiden sich die Cepheiden nicht mehr, sondern näher als 12 Millionen St. Jahre in unserer lokalen Gruppe von Galaxien hat die Schwerkraft Vorrang vor dem Gesetz der Expansion des Universums. Daher ist es zweckmäßig, den nächstgelegenen Galaxienhaufen in der Konstellation Jungfrau als Forschungsgegenstand für Cepheiden zu verwenden.


Die Helligkeitsänderung einer der Cepheiden in der Galaxie M100, die Teil des Virgo-Clusters in 56 Millionen St. ist. Jahre alt.

Bei Entfernungen über ~ 100 Millionen St. Jahre verwenden mehr Langstrecken- "Standardkerzen" - Typ Ia Supernovae, die in einer Entfernung von ~ 1 Milliarde Parsec sichtbar sind.
Sie werden erneut gegen die Cepheiden derselben Galaxie kalibriert, in der die Supernova ausbrach.


Galaxy UGC 9391 bei ~ 130 Millionen St. Jahre alt.
Cepheiden - rote Kreise, kürzlich blitzte Typ Ia Supernova - blaues Kreuz.


Galaxy NGC 3021 bei 92 Millionen St. Jahre alt.
Cepheiden sind mit grünen Kreisen markiert und der Ausbruch der Supernova SN 1995 ist rot markiert.

Derzeit beträgt die mit dem Hubble-Teleskop mit Cepheids und Supernovae gemessene Hubble-Konstante etwa 73 (km / s) / Mpc (dies bedeutet, dass sich zwei Körper in einem Abstand von einer Million Parsecs befinden) (3.2 Millionen Lichtjahre), dann dehnt sich der Raum zwischen ihnen so schnell aus, dass es dem Betrachter an einem der Körper so erscheint, als würde sich der andere Körper mit einer Geschwindigkeit von 73 Kilometern pro Sekunde von ihm entfernen.)

Dies sind 7-8% mehr als durch die relativen Strahlungsparameter bestimmt - 67,4 (km / s) / Mpc. Die Gründe für diese große Diskrepanz sind noch nicht klar und der genaue Wert der Hubble-Konstante steht noch in Frage.

Photometrische Daten des Gaia-Satelliten liefern jedoch 69 km / s / Mpc. Sind die Daten vom Hubble-Teleskop also falsch? - Lass uns nicht weiterkommen. Genauere Schlussfolgerungen können nach der Veröffentlichung des dritten Gaia-Katalogs gezogen werden, der die Variabilität der Cepheiden selbst berücksichtigt.

Lassen Sie uns abschließend die schönste Cepheid der Milchstraße bewundern - RS Korma, umgeben von ihrem Nebel.

Ein Stern ist zehnmal so massereich wie die Sonne und ungefähr fünfzehntausendmal heller.



Dank des reflektierenden Nebels, der den Stern umgibt, wurde ein astronomisches Phänomen entdeckt - die Wirkung eines Lichtechos . Dieser Effekt ist einem Schallecho sehr ähnlich. Während des Blitzes erreicht ein Teil des Lichts sofort die Augen des Beobachters und ein Teil bleibt im Material des Nebels zurück und erreicht es nach einiger Zeit. Aus diesem Grund entsteht die geometrische Illusion, dass sich die Gaswolke mit Superluminalgeschwindigkeit ausdehnt. Der Lichtechoeffekt im Jahr 2008 ermöglichte es, den Abstand zum RS Stern - 6.500 St. sehr genau zu messen. Jahre alt.


Lichtecho von Cepheids RS Poop.