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Diagrama de Hertzsprung-Russell

Un diagrama de Hertzsprung-Russell es una forma gráfica muy intuitiva de estudiar la evolución de las estrellas (desde su nacimiento hasta su extinción) mediante la representación visual de valores como la luminosidad de una estrella, su color aparente, su temperatura superficial, su tamaño y el lugar que ocupa en su propio ciclo vital (su edad).

Ejemplo de un diagrama observacional de Hertzsprung-Russell de estrellas cercanas con 22.000 de ellas obtenidas del Catálogo Hipparcos y 1.000 del Catálogo Gliese. Las estrellas tienden a ubicarse sólo en ciertas regiones del diagrama.

Si observamos uno de estos diagramas podemos ver fácilmente que la mayor parte de las estrellas visibles no se distribuyen aleatoriamente sino que se ubican en una franja diagonal que damos en denominar la secuencia principal. Esta secuencia principal es el lugar que una estrella ocupa la mayor parte de su "vida" como objeto estelar y su posición exacta dentro de esa franja está determinada por la masa inicial que había disponible en forma fundamentalmente de gas en el momento de su nacimiento o formación.

La mayor parte de las estrellas pasan en algún momento u otro de sus "vidas" por la secuencia principal y en ella discurren la mayor parte de su existencia, aunque también hay excepciones evidentes.

La zona más visible y prominente es la diagonal, claramente visible en la imagen, que va de la parte superior izquierda (caliente y brillante) a la inferior derecha (más fría y menos brillante), conocida como la secuencia principal.

En la parte inferior izquierda (aparentemente aisladas) es donde se encuentran las enanas blancas. En la zona de la esquina superior izquierda están las gigantes blancas y azules de gran temperatura superficial. Conforme se discurre hacia abajo dentro de la secuencia principal nos vamos encontrando estrellas de menor tamaño y menor temperatura superficial, como por ejemplo las estrellas amarillas (como nuestro Sol) y anaranjadas y descendiendo aún más a lo largo de la secuencia principal, en la esquina inferior derecha están las enanas rojas y marrones. Arriba de la secuencia principal aparecen las subgigantes anaranjadas y rojas, las gigantes y supergigantes rojas, con temperaturas superficiales habitualmente bajas.

El Sol, como cabía esperar, se encuentra dentro de la secuencia principal y se toma su luminosidad como valor 1 de la escala para tener la mejor referencia del resto de los valores posibles tanto por encima como por debajo de dicho valor de referencia. Los valores concretos del Sol como estrella son magnitud absoluta de 4,8 e índice de color B−V de 0,66, con una temperatura superficial de 5780º K y tipo espectral G2V. En este caso, observando el gráfico, G2 representa el color aparente de su superficie (amarillo) y la letra "V" representa el tamaño de la estrella (los números romanos pueden ir desde I (supergigantes), II (gigantes), III, en adelante hasta las estrellas enanas).

En consecuencia, podríamos catalogar al Sol como una estrella amarilla semienana de la secuencia principal o, de otra manera más técnica y científica, como una estrella de pequeño tamaño que está fusionando hidrógeno en su núcleo y convirtiéndolo en helio a un ritmo constante y mantenido siguiendo fundamentalmente el ciclo de fusión nuclear de la cadena protón-protón o cadena p+p. Los diferentes tipos de cadenas protón-protón son más importantes en estrellas del tamaño del Sol o menores, mientras que en las estrellas gigantes predomina la fusión del ciclo CNO. El balance global del proceso es el equivalente de unir cuatro nucleones y dos electrones para formar un núcleo de Helio-4 (2 protones + 2 neutrones).

El diagrama de Hertzsprung-Russell, abreviado como diagrama H-R , diagrama HR o HRD, es un gráfico o diagrama de dispersión de estrellas que muestra la relación entre las magnitudes absolutas o luminosidades de las estrellas frente a sus clasificaciones estelares o temperaturas efectivas.

El diagrama fue creado de forma independiente alrededor de 1910 por Ejnar Hertzsprung y Henry Norris Russell y representó un gran paso hacia la comprensión de la evolución estelar.

Antecedentes históricos

En el siglo XIX, se realizaron estudios espectroscópicos fotográficos a gran escala de estrellas en el Observatorio de la Universidad de Harvard, creando clasificaciones espectrales para decenas de miles de ellas, que culminó finalmente en la publicación que recopilaba el conjunto de todos los datos en el Catálogo Henry Draper. En un fragmento de dicha obra, Antonia Maury incluyó divisiones de las estrellas por el ancho de sus líneas espectrales.[1]

Hertzsprung ya hizo mención entonces que las estrellas descritas con líneas estrechas tendían a tener movimientos propios más pequeños que otras estrellas de la misma clasificación espectral. Tomó esto como una indicación de mayor luminosidad para las estrellas de línea estrecha y calculó el paralaje estelar (o distancia real) para varios grupos de dichas estrellas, lo que le permitía estimar su magnitud absoluta.[2]

En 1910, Hans Rosenberg publicó un diagrama que trazaba la magnitud aparente de las estrellas del cúmulo abierto de las Pléyades frente a las líneas de Fraunhofer de la línea K del calcio y de dos líneas de Balmer del hidrógeno.[3]

Estas líneas espectrales sirven como indicador de la temperatura de una estrella y sigue siendo una forma simple de clasificación espectral. La magnitud aparente de las estrellas en el mismo cúmulo es equivalente a su magnitud absoluta, por lo que este diagrama inicial era efectivamente un gráfico que reflejaba la luminosidad frente a la temperatura. El mismo tipo de diagrama todavía se usa hoy en día como un medio para mostrar las masas reales de las estrellas en los cúmulos sin tener que conocer inicialmente su distancia y luminosidad.[4]

Hertzsprung ya había estado trabajando con este tipo de diagramas, pero sus primeras publicaciones que los mostraron no se publicaron hasta 1911. Esta fue también la forma del diagrama que usa magnitudes aparentes de un cúmulo de estrellas a la misma distancia.[5]

Las primeras ediciones de este tipo de diagramas publicadas por Russell (1913) incluían las estrellas gigantes de Maury, identificadas por Hertzsprung, aquellas otras estrellas cercanas (con paralaje) medidas en ese momento, estrellas del cúmulo de las Híades (un cúmulo abierto cercano) y varios grupos de estrellas en movimiento para los cuales el método de los cúmulos en movimiento podían ser utilizados para obtener sus distancias y así conseguir conocer magnitudes absolutas para esas estrellas.[6]

Formas de los diagramas

Hay varias formas del diagrama de Hertzsprung-Russell, aunque su nomenclatura no está muy bien definida. Todas las formas de dichos diagramas comparten el mismo diseño general: las estrellas de mayor luminosidad están hacia la parte superior del diagrama y las estrellas con mayor temperatura superficial están hacia el lado izquierdo del diagrama, mientras que las estrellas más frías están en la parte inferior derecha y las más grandes en tamaño en la zona superior, desde las gigantes blancas y azules a la izquierda hasta las supergigantes rojas en la zona superior derecha.

El diagrama original mostraba el tipo espectral de estrellas en el eje horizontal y la magnitud visual absoluta en el eje vertical. El tipo espectral no es una cantidad numérica, pero la secuencia de tipos espectrales es una serie secuencial que refleja la temperatura de la superficie estelar. Las versiones de los diagramas modernos actuales reemplazan el tipo espectral de las estrellas por un índice de color (en los diagramas hechos a mediados del siglo XX, con mayor frecuencia el color BV).

Este tipo de diagrama es lo que a menudo se denomina diagrama de observación de Hertzsprung-Russell o, específicamente, diagrama de color-magnitud (CMD), y los observadores lo utilizan muy a menudo.[7]

En los casos en los que se sabe que las estrellas están a distancias idénticas, como dentro de un mismo cúmulo de estrellas, a menudo se usa un diagrama de color-magnitud para describir las estrellas del cúmulo con una gráfica en la que el eje vertical es la magnitud aparente de las estrellas. Para los miembros del cúmulo, por supuesto, existe una única diferencia constante aditiva entre sus magnitudes aparentes y absolutas, llamado módulo de distancia para todo ese cúmulo de estrellas.

Los primeros estudios de los cúmulos abiertos cercanos (como las Híades y las Pléyades), realizados por Hertzsprung y Rosenberg, produjeron los primeros CMD unos años antes de la influyente síntesis de Russell del diagrama que recopila datos de todas las estrellas para las que se podían determinar magnitudes absolutas.[3][5]​ Por ejemplo, los cúmulos abiertos cercanos son formaciones de estrellas relativamente nuevas surgidas de nebulosas de gas de grandes dimensiones. Un ejemplo típico serían las Pléyades. En un cúmulo abierto de este tipo no podremos encontrar estrellas gigantes o supergigantes rojas porque la formación de estrellas es tan reciente, dentro de la edad total del conjunto de nuestra galaxia, que las estrellas que lo forman no han tenido tiempo de completar el ciclo de combustión del hidrógeno en el núcleo, paso previo necesario para que las estrellas salgan de la secuencia principal y entren en la esquina superior derecha del gráfico, convirtiéndose en estrellas más frías superficialmente, pero mucho mayores en diámetro, como son las gigantes y supergigantes rojas. Por idénticos motivos, tampoco podremos encontrar en este tipo de cúmulos abiertos estrellas enanas blancas.

Sin embargo, en agrupaciones estelares muy antiguas de las galaxias, como son los cúmulos globulares buena parte del porcentaje total de las estrellas son gigantes y supergigantes rojas. En este último caso, las nebulosas de gas originales han desaparecido completamente, las estrellas han consumido en su mayoría el hidrógeno de sus núcleos y están empezando a fusionar hidrógeno en las capas superiores y a quemar helio dentro del propio núcleo, fenómeno que conduce a la salida de la fase estable de la secuencia principal y a la transformación de una estrella como el Sol (una estrella semienana amarilla) en una gigante roja. Un estudio más detallado de este tipo de procesos se puede estudiar en el artículo sobre la evolución estelar.

Otra forma de representar el diagrama traza la temperatura superficial efectiva de la estrella en un eje y la luminosidad de la estrella en el otro, casi invariablemente en un gráfico logarítmico. Los cálculos teóricos de la estructura estelar y la evolución de las estrellas producen gráficos que coinciden con los de las observaciones. Este tipo de diagrama podría denominarse diagrama de temperatura-luminosidad, pero este término casi nunca se utiliza; cuando se aplica, esta forma de diagrama se denomina diagrama de Hertzsprung-Russell teórico. Una característica peculiar de este tipo de diagrama H–R es que las temperaturas se representan de altas a bajas temperaturas, lo que ayuda a comparar esta forma del diagrama H–R con las observaciones directas mediante telescopios.

Aunque los dos tipos de diagramas son similares, los astrónomos hacen una clara distinción entre los dos. La razón de esta distinción es que la transformación exacta de uno a otro no es trivial. Ir entre la temperatura efectiva y el color requiere una relación color-temperatura y verificarlo es difícil; se sabe que es una función de la composición estelar y puede verse afectada por otros factores como la rotación estelar. Al convertir la luminosidad o magnitud bolométrica absoluta en magnitud visual aparente o absoluta, se requiere una corrección bolométrica, que puede provenir o no de la misma fuente que la relación color-temperatura.

También es necesario conocer la distancia a los objetos observados (es decir, el módulo de distancia) y los efectos del oscurecimiento interestelar, tanto en el color (enrojecimiento) como en la magnitud aparente (donde el efecto se llama "extinción"). La distorsión del color (incluido el enrojecimiento) y la extinción (oscurecimiento) también son evidentes en las estrellas que tienen polvo circunestelar significativo. El ideal de la comparación directa de las predicciones teóricas de la evolución estelar con las observaciones tiene, por tanto, incertidumbres adicionales que incurren en las conversiones entre las cantidades teóricas y las observaciones reales, aunque nunca son significativas.

Interpretación

 
Un diagrama mostrando la franja de inestabilidad (en recuadro) y sus componentes resaltados.

La mayoría de las estrellas ocupan la región del diagrama a lo largo de la franja llamada secuencia principal. Durante la etapa de sus vidas en la que las estrellas se encuentran en la línea de secuencia principal, están fusionando hidrógeno en sus núcleos. La siguiente concentración de estrellas está en la rama horizontal (fusión de helio en el núcleo e hidrógeno ardiendo en la capa que rodea el núcleo) por encima de la secuencia principal.

Otra característica destacada es la brecha de Hertzsprung ubicada en la región entre el tipo espectral A5 y G0 y entre magnitudes absolutas +1 y −3 (es decir, entre la parte superior de la secuencia principal y las gigantes en la rama horizontal ). Las estrellas variables RR Lyrae se pueden encontrar abajo a la izquierda de este espacio en una sección del diagrama llamada franja de inestabilidad. Las variables cefeidas son también estrellas que caen dentro de la franja de inestabilidad, pero son siempre de mayor luminosidad.

Los científicos pueden utilizar el diagrama HR para medir aproximadamente cuán lejos está un cúmulo de estrellas o una galaxia de la Tierra. Esto se puede hacer comparando las magnitudes aparentes de las estrellas en el cúmulo con las magnitudes absolutas de estrellas con distancias conocidas (o de estrellas modelo). El grupo observado se desplaza luego en dirección vertical, hasta que las dos secuencias principales se superponen. La diferencia de magnitud que se superó para hacer coincidir los dos grupos se denomina módulo de distancia y es una medida directa de la distancia (ignorando el "problema" de la extinción).

Esta técnica se conoce como ajuste de secuencia principal y es un tipo de paralaje espectroscópico. No solo se puede usar el desvío dentro de la secuencia principal, sino también para medir la distancia de las gigantes rojas, cefeidas, etc.[8][9]

El diagrama visto por la misión Gaia de la ESA

 
Diagrama de Hertzsprung-Russell que muestra solo enanas blancas con datos de la misión Gaia de la ESA.
 
Parte del diagrama de Gaia de la ESA. La línea oscura probablemente representa la transición de enanas rojas parcialmente convectivas a completamente convectivas.

La misión Gaia de la ESA (Agencia Espacial Europea) mostró varias características en el diagrama que no se conocían o que se sospechaba que existían, pero que no habían sido verificadas previamente. Por ejemplo, se encontró una brecha en la secuencia principal que aparece para las enanas M y que se explica mediante la transición de un núcleo parcialmente convectivo a un núcleo completamente convectivo.[10][11]

Para las enanas blancas, el diagrama muestra varias características. En este diagrama aparecen dos concentraciones principales que siguen la secuencia de enfriamiento de las enanas blancas que se explican con la composición atmosférica de las enanas blancas, especialmente las atmósferas de enanas blancas dominadas por hidrógeno frente a las que prevalece el helio.[12]

Una tercera concentración se explica con la cristalización del núcleo del interior de las enanas blancas. Este fenómeno libera energía y retrasa el enfriamiento de las enanas blancas.[13][14]

El papel del diagrama en el desarrollo de la física estelar

 
Diagramas de HR para dos clústeres abiertos, M67 y NGC 188, que muestran la interrupción de la secuencia principal a diferentes edades

El estudio sistemático del diagrama H-R llevó a los astrónomos a especular que mediante éste se podría demostrar la evolución estelar. La principal sugerencia que se propuso (errónea por otra parte) era que las estrellas colapsaron de gigantes rojas a estrellas enanas, y luego se movieron hacia abajo a lo largo de la línea de la secuencia principal en el transcurso de sus vidas. Por lo tanto, se pensaba que las estrellas irradiaban energía al convertir la energía gravitacional en radiación a través del mecanismo de Kelvin-Helmholtz.

Este mecanismo dio una edad para el Sol de sólo unas decenas de millones de años, creando un auténtico conflicto sobre la edad del Sistema Solar entre astrónomos, biólogos y geólogos que tenían evidencia de que la Tierra era mucho más antigua. Este conflicto finalmente se resolvió en la década de 1930 cuando se identificó la fusión nuclear como la fuente real de la energía estelar.

Después de la presentación del diagrama por Russell en una reunión de la Royal Astronomical Society en 1912, Arthur Eddington se inspiró para usarlo como base para desarrollar nuevas ideas en física estelar. En 1926, en su libro The Internal Constitution of the Stars, explicó la física de cómo encajan las estrellas en el diagrama.[15]

El artículo anticipó el descubrimiento posterior de la fusión nuclear y propuso correctamente que la fuente de energía de la estrella era la conversión del hidrógeno en helio, liberando una enorme cantidad de energía. Este fue un salto intuitivo particularmente notable, ya que en ese momento aún se desconocía la fuente de energía de una estrella. La fusión nuclear no se había demostrado aún que existiera e, incluso, que las estrellas están compuestas en gran parte de hidrógeno (ver metalicidad), aún no se había descubierto.

Eddington logró evitar este problema concentrándose en la termodinámica del transporte radiactivo de energía en los interiores estelares.[16]

Eddington predijo que las estrellas enanas permanecen en una posición esencialmente estática en la secuencia principal durante la mayor parte de sus vidas. En las décadas de 1930 y 1940, con la comprensión de la fusión del hidrógeno, surgió una teoría de la evolución respaldada por la evidencia de la existencia de las gigantes rojas, a la que se siguió casos puramente especulativos por entonces de explosión e implosión de los remanentes de éstas que dieran lugar a futuras enanas blancas.

El término nucleosíntesis de supernova se utiliza para describir la creación de elementos durante la evolución y explosión de una estrella pre-supernova, un concepto propuesto por Fred Hoyle en 1954.[17]

La mecánica cuántica y los modelos mecánicos clásicos de los procesos estelares permiten conocer cada vez mejor cómo evolucionarán las estrellas desde su nacimiento en las secuencias de un diagrama Hertzsprung-Russell. Igualmente, se siguen agregando ejemplos más raros y anómalos a medida que se analizan más estrellas y se consideran nuevos modelos matemáticos.

Ver también

Bibliografía

  • Casagrande, L .; Portinari, L .; Flynn, C. (noviembre de 2006). "Parámetros fundamentales precisos para estrellas inferiores de la secuencia principal". MNRAS . 373 (1): 13–44. arXiv : astro-ph / 0608504 . Código Bibliográfico : 2006MNRAS.373 ... 13C . doi : 10.1111 / j.1365-2966.2006.10999.x .
  • Porter, Roy (2003). La historia de la ciencia de Cambridge . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. pag. 518 . ISBN 978-0-521-57243-9.
  • Sekiguchi, Maki; Fukugita, Masataka (agosto de 2000). "Un estudio de la relación temperatura-color de BV" . El diario astronómico . 120 (2): 1072–1084. arXiv : astro-ph / 9904299 . Código Bib : 2000AJ .... 120.1072S . doi : 10.1086 / 301490 ..
  • Smith, Robert (1995). Astrofísica observacional . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. pag. 236 . ISBN 978-0-521-27834-8.

Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el diagrama de Hertzsprung-Russell.

  • Diagramas H-R en el Sloan Digital Survey (Enlace educacional) (en inglés)

Referencias

  1. A.C. Maury; E.C. Pickering (1897). «Spectra of bright stars photographed with the 11-inch Draper Telescope as part of the Henry Draper Memorial». Annals of Harvard College Observatory 28: 1-128. Bibcode:1897AnHar..28....1M. 
  2. Hertzprung, Ejnar (1908). «Über die Sterne der Unterabteilung c und ac nach der Spektralklassifikation von Antonia C. Maury». Astronomische Nachrichten 179 (24): 373-380. Bibcode:1909AN....179..373H. doi:10.1002/asna.19081792402. 
  3. Rosenberg, Hans (1910). «Über den Zusammenhang von Helligkeit und Spektraltypus in den Plejaden». Astronomische Nachrichten 186 (5): 71-78. Bibcode:1910AN....186...71R. doi:10.1002/asna.19101860503. 
  4. Vandenberg, D. A.; Brogaard, K.; Leaman, R.; Casagrande, L. (2013). «The Ages of 95 Globular Clusters as Determined Using an Improved   Method Along with Color-Magnitude Diagram Constraints, and Their Implications for Broader Issues». The Astrophysical Journal 775 (2): 134. Bibcode:2013ApJ...775..134V. arXiv:1308.2257. doi:10.1088/0004-637X/775/2/134. 
  5. Hertzsprung, E., 1911, Uber die Verwendung Photographischer Effektiver Wellenlaengen zur Bestimmung von Farbenaequivalenten, Publikationen des Astrophysikalischen Observatoriums zu Potsdam, 22. Bd., 1. Stuck = Nr.63
    Hertzsprung, E. (1911). «On the Use of Photographic Effective Wavelengths for the Determination of Color Equivalents». Publications of the Astrophysical Observatory in Potsdam. 1 22 (63). 
  6. Russell, Henry Norris (1914). «Relations Between the Spectra and Other Characteristics of the Stars». Popular Astronomy 22: 275-294. Bibcode:1914PA.....22..275R. 
  7. Palma, Dr. Christopher (2016). «The Hertzsprung-Russell Diagram». ASTRO 801: Planets, Stars, Galaxies, and the Universe. John A. Dutton e-Education Institute: College of Earth and Mineral Sciences: The Pennsylvania State University. Consultado el 29 de enero de 2017. «The quantities that are easiest to measure... are color and magnitude, so most observers ... refer to the diagram as a 'Color–Magnitude diagram' or 'CMD' rather than an HR diagram.» 
  8. Da Costa, G. S.; Armandroff, T. E. (July 1990). «Standard globular cluster giant branches in the (MI,(V–I)O) plane». Astronomical Journal 100: 162-181. Bibcode:1990AJ....100..162D. ISSN 0004-6256. doi:10.1086/115500. 
  9. Müller, Oliver; Rejkuba, Marina; Jerjen, Helmut (July 2018). «Tip of the Red Giant Branch Distances to the Dwarf Galaxies Dw1335-29 and Dw1340-30 in the Centaurus Group». Astronomy & Astrophysics 615. A96. Bibcode:2018A&A...615A..96M. arXiv:1803.02406. doi:10.1051/0004-6361/201732455. 
  10. «Mind the Gap: Gaia Mission Reveals the Insides of Stars». Sky & Telescope (en inglés estadounidense). 6 de agosto de 2018. Consultado el 19 de febrero de 2020. 
  11. Jao, Wei-Chun; Henry, Todd J.; Gies, Douglas R.; Hambly, Nigel C. (July 2018). «A Gap in the Lower Main Sequence Revealed by Gaia Data Release 2». Astrophysical Journal Letters (en inglés) 861 (1): L11. Bibcode:2018ApJ...861L..11J. ISSN 0004-637X. arXiv:1806.07792. doi:10.3847/2041-8213/aacdf6. 
  12. Collaboration, Gaia; Babusiaux, C.; van Leeuwen, F.; Barstow, M. A.; Jordi, C.; Vallenari, A.; Bossini, D.; Bressan, A.; Cantat-Gaudin, T.; van Leeuwen, M.; Brown, A. G. A. (August 2018). «Gaia Data Release 2. Observational Hertzsprung-Russell diagrams». A&A (en inglés) 616: A10. Bibcode:2018A&A...616A..10G. ISSN 0004-6361. arXiv:1804.09378. doi:10.1051/0004-6361/201832843.  Parámetro desconocido |doi-access= ignorado (ayuda)
  13. «ESA Science & Technology - Gaia reveals how Sun-like stars turn solid after their demise». sci.esa.int. Consultado el 19 de febrero de 2020. 
  14. Tremblay, Pier-Emmanuel; Fontaine, Gilles; Fusillo, Nicola Pietro Gentile; Dunlap, Bart H.; Gänsicke, Boris T.; Hollands, Mark A.; Hermes, J. J.; Marsh, Thomas R.; Cukanovaite, Elena; Cunningham, Tim (January 2019). «Core crystallization and pile-up in the cooling sequence of evolving white dwarfs». Nature (en inglés) 565 (7738): 202-205. Bibcode:2019Natur.565..202T. ISSN 0028-0836. PMID 30626942. arXiv:1908.00370. doi:10.1038/s41586-018-0791-x. 
  15. Eddington, A. S. (Oct 1920). «The Internal Constitution of the Stars». The Scientific Monthly 11 (4): 297-303. Bibcode:1920SciMo..11..297E. JSTOR 6491. PMID 17747682. doi:10.1126/science.52.1341.233. 
  16. Eddington, A. S. (1916). «On the radiative equilibrium of the stars». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 77: 16-35. Bibcode:1916MNRAS..77...16E. doi:10.1093/mnras/77.1.16.  Parámetro desconocido |doi-access= ignorado (ayuda)
  17. Hoyle, F. (1954). «On Nuclear Reactions Occurring in Very Hot Stars. I. the Synthesis of Elements from Carbon to Nickel». Astrophysical Journal Supplement 1: 121. Bibcode:1954ApJS....1..121H. doi:10.1086/190005. 
  •   Datos: Q3270143
  •   Multimedia: Hertzsprung–Russell diagram

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Un diagrama de Hertzsprung Russell es una forma grafica muy intuitiva de estudiar la evolucion de las estrellas desde su nacimiento hasta su extincion mediante la representacion visual de valores como la luminosidad de una estrella su color aparente su temperatura superficial su tamano y el lugar que ocupa en su propio ciclo vital su edad Ejemplo de un diagrama observacional de Hertzsprung Russell de estrellas cercanas con 22 000 de ellas obtenidas del Catalogo Hipparcos y 1 000 del Catalogo Gliese Las estrellas tienden a ubicarse solo en ciertas regiones del diagrama Si observamos uno de estos diagramas podemos ver facilmente que la mayor parte de las estrellas visibles no se distribuyen aleatoriamente sino que se ubican en una franja diagonal que damos en denominar la secuencia principal Esta secuencia principal es el lugar que una estrella ocupa la mayor parte de su vida como objeto estelar y su posicion exacta dentro de esa franja esta determinada por la masa inicial que habia disponible en forma fundamentalmente de gas en el momento de su nacimiento o formacion La mayor parte de las estrellas pasan en algun momento u otro de sus vidas por la secuencia principal y en ella discurren la mayor parte de su existencia aunque tambien hay excepciones evidentes La zona mas visible y prominente es la diagonal claramente visible en la imagen que va de la parte superior izquierda caliente y brillante a la inferior derecha mas fria y menos brillante conocida como la secuencia principal En la parte inferior izquierda aparentemente aisladas es donde se encuentran las enanas blancas En la zona de la esquina superior izquierda estan las gigantes blancas y azules de gran temperatura superficial Conforme se discurre hacia abajo dentro de la secuencia principal nos vamos encontrando estrellas de menor tamano y menor temperatura superficial como por ejemplo las estrellas amarillas como nuestro Sol y anaranjadas y descendiendo aun mas a lo largo de la secuencia principal en la esquina inferior derecha estan las enanas rojas y marrones Arriba de la secuencia principal aparecen las subgigantes anaranjadas y rojas las gigantes y supergigantes rojas con temperaturas superficiales habitualmente bajas El Sol como cabia esperar se encuentra dentro de la secuencia principal y se toma su luminosidad como valor 1 de la escala para tener la mejor referencia del resto de los valores posibles tanto por encima como por debajo de dicho valor de referencia Los valores concretos del Sol como estrella son magnitud absoluta de 4 8 e indice de color B V de 0 66 con una temperatura superficial de 5780º K y tipo espectral G2V En este caso observando el grafico G2 representa el color aparente de su superficie amarillo y la letra V representa el tamano de la estrella los numeros romanos pueden ir desde I supergigantes II gigantes III en adelante hasta las estrellas enanas En consecuencia podriamos catalogar al Sol como una estrella amarilla semienana de la secuencia principal o de otra manera mas tecnica y cientifica como una estrella de pequeno tamano que esta fusionando hidrogeno en su nucleo y convirtiendolo en helio a un ritmo constante y mantenido siguiendo fundamentalmente el ciclo de fusion nuclear de la cadena proton proton o cadena p p Los diferentes tipos de cadenas proton proton son mas importantes en estrellas del tamano del Sol o menores mientras que en las estrellas gigantes predomina la fusion del ciclo CNO El balance global del proceso es el equivalente de unir cuatro nucleones y dos electrones para formar un nucleo de Helio 4 2 protones 2 neutrones El diagrama de Hertzsprung Russell abreviado como diagrama H R diagrama HR o HRD es un grafico o diagrama de dispersion de estrellas que muestra la relacion entre las magnitudes absolutas o luminosidades de las estrellas frente a sus clasificaciones estelares o temperaturas efectivas El diagrama fue creado de forma independiente alrededor de 1910 por Ejnar Hertzsprung y Henry Norris Russell y represento un gran paso hacia la comprension de la evolucion estelar Indice 1 Antecedentes historicos 2 Formas de los diagramas 3 Interpretacion 3 1 El diagrama visto por la mision Gaia de la ESA 4 El papel del diagrama en el desarrollo de la fisica estelar 5 Ver tambien 6 Bibliografia 7 Enlaces externos 8 ReferenciasAntecedentes historicos EditarEn el siglo XIX se realizaron estudios espectroscopicos fotograficos a gran escala de estrellas en el Observatorio de la Universidad de Harvard creando clasificaciones espectrales para decenas de miles de ellas que culmino finalmente en la publicacion que recopilaba el conjunto de todos los datos en el Catalogo Henry Draper En un fragmento de dicha obra Antonia Maury incluyo divisiones de las estrellas por el ancho de sus lineas espectrales 1 Hertzsprung ya hizo mencion entonces que las estrellas descritas con lineas estrechas tendian a tener movimientos propios mas pequenos que otras estrellas de la misma clasificacion espectral Tomo esto como una indicacion de mayor luminosidad para las estrellas de linea estrecha y calculo el paralaje estelar o distancia real para varios grupos de dichas estrellas lo que le permitia estimar su magnitud absoluta 2 En 1910 Hans Rosenberg publico un diagrama que trazaba la magnitud aparente de las estrellas del cumulo abierto de las Pleyades frente a las lineas de Fraunhofer de la linea K del calcio y de dos lineas de Balmer del hidrogeno 3 Estas lineas espectrales sirven como indicador de la temperatura de una estrella y sigue siendo una forma simple de clasificacion espectral La magnitud aparente de las estrellas en el mismo cumulo es equivalente a su magnitud absoluta por lo que este diagrama inicial era efectivamente un grafico que reflejaba la luminosidad frente a la temperatura El mismo tipo de diagrama todavia se usa hoy en dia como un medio para mostrar las masas reales de las estrellas en los cumulos sin tener que conocer inicialmente su distancia y luminosidad 4 Hertzsprung ya habia estado trabajando con este tipo de diagramas pero sus primeras publicaciones que los mostraron no se publicaron hasta 1911 Esta fue tambien la forma del diagrama que usa magnitudes aparentes de un cumulo de estrellas a la misma distancia 5 Las primeras ediciones de este tipo de diagramas publicadas por Russell 1913 incluian las estrellas gigantes de Maury identificadas por Hertzsprung aquellas otras estrellas cercanas con paralaje medidas en ese momento estrellas del cumulo de las Hiades un cumulo abierto cercano y varios grupos de estrellas en movimiento para los cuales el metodo de los cumulos en movimiento podian ser utilizados para obtener sus distancias y asi conseguir conocer magnitudes absolutas para esas estrellas 6 Formas de los diagramas EditarHay varias formas del diagrama de Hertzsprung Russell aunque su nomenclatura no esta muy bien definida Todas las formas de dichos diagramas comparten el mismo diseno general las estrellas de mayor luminosidad estan hacia la parte superior del diagrama y las estrellas con mayor temperatura superficial estan hacia el lado izquierdo del diagrama mientras que las estrellas mas frias estan en la parte inferior derecha y las mas grandes en tamano en la zona superior desde las gigantes blancas y azules a la izquierda hasta las supergigantes rojas en la zona superior derecha El diagrama original mostraba el tipo espectral de estrellas en el eje horizontal y la magnitud visual absoluta en el eje vertical El tipo espectral no es una cantidad numerica pero la secuencia de tipos espectrales es una serie secuencial que refleja la temperatura de la superficie estelar Las versiones de los diagramas modernos actuales reemplazan el tipo espectral de las estrellas por un indice de color en los diagramas hechos a mediados del siglo XX con mayor frecuencia el color BV Este tipo de diagrama es lo que a menudo se denomina diagrama de observacion de Hertzsprung Russell o especificamente diagrama de color magnitud CMD y los observadores lo utilizan muy a menudo 7 En los casos en los que se sabe que las estrellas estan a distancias identicas como dentro de un mismo cumulo de estrellas a menudo se usa un diagrama de color magnitud para describir las estrellas del cumulo con una grafica en la que el eje vertical es la magnitud aparente de las estrellas Para los miembros del cumulo por supuesto existe una unica diferencia constante aditiva entre sus magnitudes aparentes y absolutas llamado modulo de distancia para todo ese cumulo de estrellas Los primeros estudios de los cumulos abiertos cercanos como las Hiades y las Pleyades realizados por Hertzsprung y Rosenberg produjeron los primeros CMD unos anos antes de la influyente sintesis de Russell del diagrama que recopila datos de todas las estrellas para las que se podian determinar magnitudes absolutas 3 5 Por ejemplo los cumulos abiertos cercanos son formaciones de estrellas relativamente nuevas surgidas de nebulosas de gas de grandes dimensiones Un ejemplo tipico serian las Pleyades En un cumulo abierto de este tipo no podremos encontrar estrellas gigantes o supergigantes rojas porque la formacion de estrellas es tan reciente dentro de la edad total del conjunto de nuestra galaxia que las estrellas que lo forman no han tenido tiempo de completar el ciclo de combustion del hidrogeno en el nucleo paso previo necesario para que las estrellas salgan de la secuencia principal y entren en la esquina superior derecha del grafico convirtiendose en estrellas mas frias superficialmente pero mucho mayores en diametro como son las gigantes y supergigantes rojas Por identicos motivos tampoco podremos encontrar en este tipo de cumulos abiertos estrellas enanas blancas Sin embargo en agrupaciones estelares muy antiguas de las galaxias como son los cumulos globulares buena parte del porcentaje total de las estrellas son gigantes y supergigantes rojas En este ultimo caso las nebulosas de gas originales han desaparecido completamente las estrellas han consumido en su mayoria el hidrogeno de sus nucleos y estan empezando a fusionar hidrogeno en las capas superiores y a quemar helio dentro del propio nucleo fenomeno que conduce a la salida de la fase estable de la secuencia principal y a la transformacion de una estrella como el Sol una estrella semienana amarilla en una gigante roja Un estudio mas detallado de este tipo de procesos se puede estudiar en el articulo sobre la evolucion estelar Otra forma de representar el diagrama traza la temperatura superficial efectiva de la estrella en un eje y la luminosidad de la estrella en el otro casi invariablemente en un grafico logaritmico Los calculos teoricos de la estructura estelar y la evolucion de las estrellas producen graficos que coinciden con los de las observaciones Este tipo de diagrama podria denominarse diagrama de temperatura luminosidad pero este termino casi nunca se utiliza cuando se aplica esta forma de diagrama se denomina diagrama de Hertzsprung Russell teorico Una caracteristica peculiar de este tipo de diagrama H R es que las temperaturas se representan de altas a bajas temperaturas lo que ayuda a comparar esta forma del diagrama H R con las observaciones directas mediante telescopios Aunque los dos tipos de diagramas son similares los astronomos hacen una clara distincion entre los dos La razon de esta distincion es que la transformacion exacta de uno a otro no es trivial Ir entre la temperatura efectiva y el color requiere una relacion color temperatura y verificarlo es dificil se sabe que es una funcion de la composicion estelar y puede verse afectada por otros factores como la rotacion estelar Al convertir la luminosidad o magnitud bolometrica absoluta en magnitud visual aparente o absoluta se requiere una correccion bolometrica que puede provenir o no de la misma fuente que la relacion color temperatura Tambien es necesario conocer la distancia a los objetos observados es decir el modulo de distancia y los efectos del oscurecimiento interestelar tanto en el color enrojecimiento como en la magnitud aparente donde el efecto se llama extincion La distorsion del color incluido el enrojecimiento y la extincion oscurecimiento tambien son evidentes en las estrellas que tienen polvo circunestelar significativo El ideal de la comparacion directa de las predicciones teoricas de la evolucion estelar con las observaciones tiene por tanto incertidumbres adicionales que incurren en las conversiones entre las cantidades teoricas y las observaciones reales aunque nunca son significativas Interpretacion Editar Un diagrama mostrando la franja de inestabilidad en recuadro y sus componentes resaltados La mayoria de las estrellas ocupan la region del diagrama a lo largo de la franja llamada secuencia principal Durante la etapa de sus vidas en la que las estrellas se encuentran en la linea de secuencia principal estan fusionando hidrogeno en sus nucleos La siguiente concentracion de estrellas esta en la rama horizontal fusion de helio en el nucleo e hidrogeno ardiendo en la capa que rodea el nucleo por encima de la secuencia principal Otra caracteristica destacada es la brecha de Hertzsprung ubicada en la region entre el tipo espectral A5 y G0 y entre magnitudes absolutas 1 y 3 es decir entre la parte superior de la secuencia principal y las gigantes en la rama horizontal Las estrellas variables RR Lyrae se pueden encontrar abajo a la izquierda de este espacio en una seccion del diagrama llamada franja de inestabilidad Las variables cefeidas son tambien estrellas que caen dentro de la franja de inestabilidad pero son siempre de mayor luminosidad Los cientificos pueden utilizar el diagrama HR para medir aproximadamente cuan lejos esta un cumulo de estrellas o una galaxia de la Tierra Esto se puede hacer comparando las magnitudes aparentes de las estrellas en el cumulo con las magnitudes absolutas de estrellas con distancias conocidas o de estrellas modelo El grupo observado se desplaza luego en direccion vertical hasta que las dos secuencias principales se superponen La diferencia de magnitud que se supero para hacer coincidir los dos grupos se denomina modulo de distancia y es una medida directa de la distancia ignorando el problema de la extincion Esta tecnica se conoce como ajuste de secuencia principal y es un tipo de paralaje espectroscopico No solo se puede usar el desvio dentro de la secuencia principal sino tambien para medir la distancia de las gigantes rojas cefeidas etc 8 9 El diagrama visto por la mision Gaia de la ESA Editar Diagrama de Hertzsprung Russell que muestra solo enanas blancas con datos de la mision Gaia de la ESA Parte del diagrama de Gaia de la ESA La linea oscura probablemente representa la transicion de enanas rojas parcialmente convectivas a completamente convectivas La mision Gaia de la ESA Agencia Espacial Europea mostro varias caracteristicas en el diagrama que no se conocian o que se sospechaba que existian pero que no habian sido verificadas previamente Por ejemplo se encontro una brecha en la secuencia principal que aparece para las enanas M y que se explica mediante la transicion de un nucleo parcialmente convectivo a un nucleo completamente convectivo 10 11 Para las enanas blancas el diagrama muestra varias caracteristicas En este diagrama aparecen dos concentraciones principales que siguen la secuencia de enfriamiento de las enanas blancas que se explican con la composicion atmosferica de las enanas blancas especialmente las atmosferas de enanas blancas dominadas por hidrogeno frente a las que prevalece el helio 12 Una tercera concentracion se explica con la cristalizacion del nucleo del interior de las enanas blancas Este fenomeno libera energia y retrasa el enfriamiento de las enanas blancas 13 14 El papel del diagrama en el desarrollo de la fisica estelar EditarVease tambien Nucleosintesis estelar Diagramas de HR para dos clusteres abiertos M67 y NGC 188 que muestran la interrupcion de la secuencia principal a diferentes edades El estudio sistematico del diagrama H R llevo a los astronomos a especular que mediante este se podria demostrar la evolucion estelar La principal sugerencia que se propuso erronea por otra parte era que las estrellas colapsaron de gigantes rojas a estrellas enanas y luego se movieron hacia abajo a lo largo de la linea de la secuencia principal en el transcurso de sus vidas Por lo tanto se pensaba que las estrellas irradiaban energia al convertir la energia gravitacional en radiacion a traves del mecanismo de Kelvin Helmholtz Este mecanismo dio una edad para el Sol de solo unas decenas de millones de anos creando un autentico conflicto sobre la edad del Sistema Solar entre astronomos biologos y geologos que tenian evidencia de que la Tierra era mucho mas antigua Este conflicto finalmente se resolvio en la decada de 1930 cuando se identifico la fusion nuclear como la fuente real de la energia estelar Despues de la presentacion del diagrama por Russell en una reunion de la Royal Astronomical Society en 1912 Arthur Eddington se inspiro para usarlo como base para desarrollar nuevas ideas en fisica estelar En 1926 en su libro The Internal Constitution of the Stars explico la fisica de como encajan las estrellas en el diagrama 15 El articulo anticipo el descubrimiento posterior de la fusion nuclear y propuso correctamente que la fuente de energia de la estrella era la conversion del hidrogeno en helio liberando una enorme cantidad de energia Este fue un salto intuitivo particularmente notable ya que en ese momento aun se desconocia la fuente de energia de una estrella La fusion nuclear no se habia demostrado aun que existiera e incluso que las estrellas estan compuestas en gran parte de hidrogeno ver metalicidad aun no se habia descubierto Eddington logro evitar este problema concentrandose en la termodinamica del transporte radiactivo de energia en los interiores estelares 16 Eddington predijo que las estrellas enanas permanecen en una posicion esencialmente estatica en la secuencia principal durante la mayor parte de sus vidas En las decadas de 1930 y 1940 con la comprension de la fusion del hidrogeno surgio una teoria de la evolucion respaldada por la evidencia de la existencia de las gigantes rojas a la que se siguio casos puramente especulativos por entonces de explosion e implosion de los remanentes de estas que dieran lugar a futuras enanas blancas El termino nucleosintesis de supernova se utiliza para describir la creacion de elementos durante la evolucion y explosion de una estrella pre supernova un concepto propuesto por Fred Hoyle en 1954 17 La mecanica cuantica y los modelos mecanicos clasicos de los procesos estelares permiten conocer cada vez mejor como evolucionaran las estrellas desde su nacimiento en las secuencias de un diagrama Hertzsprung Russell Igualmente se siguen agregando ejemplos mas raros y anomalos a medida que se analizan mas estrellas y se consideran nuevos modelos matematicos Ver tambien EditarEvolucion estelar Rama gigante asintotica estrellas impulsadas por la fusion de hidrogeno y helio en una capa con un nucleo inactivo de carbono y oxigeno Diagrama de color magnitud de la galaxia Pista de Hayashi Pista de Henyey Diagrama de Hess Linea de nacimiento estelar Clasificacion estelar clasificacion de las estrellas segun sus caracteristicas espectrales Punta de la rama de las gigantes rojasBibliografia EditarCasagrande L Portinari L Flynn C noviembre de 2006 Parametros fundamentales precisos para estrellas inferiores de la secuencia principal MNRAS 373 1 13 44 arXiv astro ph 0608504 Codigo Bibliografico 2006MNRAS 373 13C doi 10 1111 j 1365 2966 2006 10999 x Porter Roy 2003 La historia de la ciencia de Cambridge Cambridge Reino Unido Cambridge University Press pag 518 ISBN 978 0 521 57243 9 Sekiguchi Maki Fukugita Masataka agosto de 2000 Un estudio de la relacion temperatura color de BV El diario astronomico 120 2 1072 1084 arXiv astro ph 9904299 Codigo Bib 2000AJ 120 1072S doi 10 1086 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