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PRÁCTICAS DE FÍSICA DEL COSMOS. Dpto. Astrofísica (ULL)
Diagrama HR de cúmulos abiertos
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DIAGRAMA HR DE CÚMULOS ABIERTOS
Jose Manuel Almenara Villa
Adriana de Lorenzo-Cáceres Rodríguez
Teodoro Roca Cortés
1. Introducción
Fue alrededor de 1910 cuando Ejnar Hertzsprung y Henry Norris Russell de forma
independiente encontraron que, sorprendentemente, cuando dibujaban en un gráfico la
magnitud absoluta frente al tipo espectral de un grupo de estrellas la mayoría de ellas se
localizaba en una franja casi recta que atraviesa el diagrama desde la región superior
izquierda a la inferior derecha. A esta franja la denominaron Secuencia Principal. Desde
entonces un dibujo análogo o de magnitudes derivadas de aquéllas se conoce como
diagrama HR y se ha revelado de gran importancia en el estudio de la evolución estelar.
Por ejemplo, son muy comunes los diagramas magnitud vs. color: la magnitud de una
estrella está relacionada con su luminosidad mientras que el color se relaciona con la
temperatura efectiva y, por tanto, con su tipo espectral.
Las estrellas de la secuencia principal son aquéllas que están fusionando hidrógeno
en helio en su núcleo, estadio en el que permanecen durante la mayor parte de su vida.
Además, en el diagrama HR destacan otras zonas donde se encuentran los objetos más
evolucionados que ya han salido de la secuencia principal, como la rama de gigantes o
la región de las enanas blancas. Es importante señalar que las estrellas no se mueven a
lo largo de la secuencia principal, sino que permanecen en el mismo punto hasta que
salen de ella.
Un cúmulo estelar abierto es un conjunto de cientos a miles de estrellas agrupadas
bajo fuerzas gravitatorias y formadas a partir de una misma nube molecular casi a la
vez. Dado su origen común todas están aproximadamente a la misma distancia. Estos
cúmulos suelen encontrarse en los brazos espirales de las galaxias, donde tienen lugar
procesos de formación estelar.
El diagrama HR de un cúmulo distribuye sus estrellas según su magnitud y su tipo
espectral y por tanto su forma varía según las características de las estrellas del cúmulo.
Los modelos de evolución estelar predicen la posición de las estrellas (de diferente
masa) de un cúmulo estelar de una edad determinada en el diagrama HR con una curva
llamada isocrona. La forma de una isocrona depende fundamentalmente de dos
parámetros: la edad del cúmulo y su metalicidad. La metalicidad del cúmulo depende
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del contenido en metales de la nube molecular original de la que se formó y que, por
tanto, condiciona el contenido metálico de las estrellas.
El objetivo de esta práctica, basada en el software de prácticas de Astrofísica CLEA,
es obtener el diagrama HR de un cúmulo estelar abierto y derivar, a partir del ajuste de
una isocrona, su edad, su metalicidad y su distancia.
2. Desarrollo práctico paso a paso
Visiten el ftp del proyecto CLEA y descárguense el programa:
ftp://io.cc.gettysburg.edu/pub/clea_products/pc/VIREO.exe.
Instálenlo; tendrán entonces un ejecutable llamado VIREO, en el que deberán
registrarse (File Login) utilizando un nombre cualquiera. Ya pueden empezar: Run
Exercise… HR Diagrams of Star Clusters.
El primer paso será la observación de las estrellas del cúmulo. Para ello
emplearemos como detector un fotómetro: con este instrumento podemos recoger los
fotones procedentes de un objeto sin resolución espacial. Hoy en día el uso de los
fotómetros se ha visto postergado por la aparición de las cámaras CCD, que contienen
un conjunto de elementos espaciales cada uno de los cuales, de forma simplificada,
actúa como un fotómetro, proporcionando así una imagen bidimensional.
Observaremos las estrellas en diferentes filtros y haremos su fotometría, es decir,
cuantificaremos cuánto brillan en cada uno de esos filtros. El procedimiento es el que
sigue:
Observación y fotometría de las estrellas del cúmulo
a)
File Cluster Data: aparecerá la ventana Cluster Data Parameters. En ella
pinchen en File View/Select Cluster from list y verán la lista con todos los
posibles cúmulos a estudiar. Seleccionen el cúmulo que les han indicado los
profesores OK: la lista que ven ahora incluye las coordenadas de las
estrellas del cúmulo.
b)
Selection Create New Hot List of Entire List: de esta manera han añadido
esa lista de estrellas al software de control de su telescopio virtual.
c)
Llega la noche de observación. Vayan al telescopio: Telescopes Optical
Access 0.4 meter. El primer paso es abrir la cúpula (Dome Open); a
continuación enciendan el control del telescopio (Telescope Control Panel).
Si se fijan, verán que las estrellas visibles a través de la cúpula se mueven
con el tiempo; este fenómeno es debido a la propia rotación de la Tierra y
los telescopios disponen de un sistema de seguimiento para compensarlo.
Para encender este seguimiento simplemente pinchen en el botón de
Tracking. ¡Ya está todo preparado para empezar a observar!
d)
Slew Observation Hot List View/Select From List: pinchando sobre
una de las estrellas de la lista (creada en el paso a) el telescopio apuntará a la
misma. Si todo va bien, la estrella deberá aparecer en el centro del campo de
visión de la cúpula. El cúmulo contiene estrellas de distinta magnitud, por lo
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que no siempre serán fácilmente visibles. Para conseguir una imagen
magnificada del centro del campo pinchen en View Telescope. Para regresar
al campo ampliado tan sólo vuelvan a la posición de View Finder.
e)
Seleccionen el fotómetro (Instrument Photometer); en la posición de View
Telescope verán aparecer un círculo rojo que rodea la estrella que han
seleccionado. Este círculo representa la apertura del fotómetro: medirán toda
la luz procedente de esa región del cielo. Al pinchar en Access aparecerá la
ventana de control del fotómetro. En ella pueden seleccionar el filtro (U, B o
V, trabajarán con dos de ellos), el tiempo de integración (Integration
Seconds) y el número de integraciones que realizará (# of Integrations).
f)
Antes de tomar medidas de la estrella es preciso medir cuánta luz recibe el
detector procedente del cielo circundante, pues el fotómetro detecta estrella
+ cielo. Para ello utilicen los botones N, S, W y E de la ventana de control
del telescopio hasta que el campo del fotómetro sólo incluya cielo cercano a
la estrella. En la ventana de control del fotómetro seleccionen Reading Sky
y tomen 10 integraciones de 10 segundos para cada filtro.
g)
Centren de nuevo la estrella y elijan el tiempo y el número de integraciones
según cuán débil sea. Tomen los datos sin olvidarse de volver previamente a
la posición de Reading Object. El programa se encarga automáticamente de
calcular la magnitud de la estrella teniendo en cuenta la substracción del
cielo; para guardar estas medidas: File Data Record/Review.
h)
Repitan todo el proceso (pasos f y g) para otras estrellas del cúmulo (los
profesores les indicarán cuántas estrellas han de medir según el cúmulo
objeto).
Una vez finalizadas las observaciones y la fotometría de las estrellas del cúmulo,
pueden proceder al análisis.
Análisis del diagrama HR
a) Vuelvan a la ventana principal (VIREO Exercise): Tools HR Diagram
Analysis File Load/Plot Data from Observation. ¡Se les abrirá una
ventana con el diagrama HR del cúmulo observado!
b) Tools Zero-Age Main Sequence. Aparecerá una línea verde sobre la gráfica
de su diagrama HR. Moviendo la barra lateral derecha (V-MV - módulo de
distancia) podrán modificar la forma y posición de esta línea para ajustarla a sus
datos. Esta línea verde representa la Zero-Age Main Sequence (ZAMS) y
deberán ajustarla a la parte media e inferior del diagrama, es decir, a la secuencia
principal.
c) Una vez elegido el mejor ajuste apunten el valor resultante del módulo de
distancia.
d) Tools Isochrones. Aparecerá una línea magenta junto con una ventana de
parámetros (ISOCHRONE Parameters). Esta línea es la llamada isocrona. La
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forma de la isocrona depende de dos parámetros fundamentales: la edad del
cúmulo y su metalicidad. Ambos parámetros pueden ser modificados en la
ventana. Además, es posible mover la isocrona horizontal (V-MV) y
verticalmente (Adjust (B-V)).
3. Cuestiones
El trabajo deberá incluir los siguientes puntos:
i)
ii)
iii)
iv)
v)
vi)
vii)
Dibujen el diagrama HR de su cúmulo e indiquen sobre él las diferentes
regiones que aparecen. Expliquen brevemente las principales características
de las estrellas de cada una de esas regiones.
¿Qué es la ZAMS?
¿Por qué pueden hacer un diagrama HR de las estrellas de un cúmulo?
Algunos diagramas HR presentan un giro en la parte superior, al final de la
secuencia principal; es el llamado punto de giro (turn-off). ¿Qué representa
este punto y por qué se produce? ¿Lo ven en su diagrama?
¿Qué es el módulo de distancia? Dado el módulo de distancia de su cúmulo,
calculen la distancia D en parsecs mediante la expresión logD = (módulo de
distancia/5) + 1. ¿De dónde viene esta expresión?
¿Cuál es la edad de su cúmulo? ¿Y la metalicidad?
La metalicidad viene caracterizada por dos parámetros: Z e Y. ¿Qué indica
cada uno de ellos?
4. Bibliografía
Carroll, Bradley W. y Ostlie, Dale A., An introduction to Modern Astrophysics, 2 Ed.,
Addison-Wesley, Reading, MA, 2007
Karttunen, H., Kröger, P., Oja, H., Poutanen, M. y Donner, K. J.,
Astronomy, Springer, 2003
Fundamental