Globular cluster - Kulová hvězdokupa

Globular cluster - Kulová hvězdokupa

Kulová hvězdokupa je sférické sbírka hvězd . Kulové hvězdokupy jsou velmi pevně svázány gravitací , což jim dává jejich kulový tvar a vysokou koncentraci hvězd směrem k jejich středům. Jejich jméno je odvozeno z latinského globulus - malá koule. Kulové hvězdokupy jsou občas známé jednoduše jako kulové hvězdokupy .

Přestože jedna kulová hvězdokupa Omega Centauri byla pozorována již ve starověku a dlouho se o ní věřilo, že jde o hvězdu, uznání skutečné podstaty hvězdokup přišlo s příchodem dalekohledů v 17. století. V raných teleskopických pozorováních se kulové hvězdokupy jevily jako neostré kapky, což vedlo francouzského astronoma Charlese Messiera k tomu, že mnohé z nich zahrnul do svého katalogu astronomických objektů, o nichž se domníval, že je lze zaměnit za komety . Pomocí větších dalekohledů astronomové 18. století rozpoznali, že kulové hvězdokupy jsou skupiny mnoha jednotlivých hvězd. Na počátku 20. století bylo rozložení kulových hvězdokup na obloze jedním z prvních důkazů, že Slunce je daleko od středu hvězdokupy.Mléčná dráha .

Kulové hvězdokupy se nacházejí téměř ve všech galaxiích . Ve spirálních galaxiích, jako je Mléčná dráha, se většinou nacházejí ve vnější sféroidní části galaxie - galaktickém halo . Jsou největším a nejhmotnějším typem hvězdokupy , která má tendenci být starší, hustší a složená z méně těžkých prvků než otevřené hvězdokupy , které se obvykle nacházejí v discích spirálních galaxií. Mléčná dráha má více než 150 známých kulových hvězd a možná mnoho dalších neobjevených.

Původ kulových hvězdokup a jejich role v galaktickém vývoji zůstávají nejasné. Některé patří mezi nejstarší objekty ve svých galaxiích a dokonce i ve vesmíru , což omezuje odhady stáří vesmíru . Často se předpokládá, že hvězdokupy se skládají z hvězd, které se všechny vytvořily ve stejnou dobu z jedné hvězdotvorné mlhoviny , ale téměř všechny kulové hvězdokupy obsahují hvězdy, které vznikly v různých časech nebo které mají odlišné složení. Některé kupy mohly mít několik epizod tvorby hvězd a některé mohou být zbytky menších galaxií zachycených většími galaxiemi.

Historie pozorování

Časné objevy kulových hvězdokup

Název clusteru Objeveno uživatelem Rok
M22 Abraham Ihle 1665
ω Cen Edmond Halley 1677
M5 Gottfried Kirch 1702
M13 Edmond Halley 1714
M71 Philippe Loys de Chéseaux 1745
M4 Philippe Loys de Chéseaux 1746
M15 Jean-Dominique Maraldi 1746
M2 Jean-Dominique Maraldi 1746

První známá kulová hvězdokupa, nyní nazvaná M22 , byla objevena v roce 1665 Abrahamem Ihlem , německým amatérským astronomem. Hvězdokupa Omega Centauri , snadno viditelná na jižní obloze pouhým okem, byla známá starověkým astronomům jako Ptolemaios jako hvězda, ale byla Edmondem Halleym v roce 1677 překlasifikována na mlhovinu a nakonec na kulovou hvězdu. cluster na počátku 19. století John Herschel . Francouzský astronom Abbé Lacaille uvedl NGC 104 , NGC 4833 , M55 , M69a NGC 6397 ve svém katalogu 1751-1752. Nízké rozlišení raných dalekohledů bránilo tomu, aby byly jednotlivé hvězdy v kupě vizuálně odděleny, dokud Charles Messier v roce 1764 nepozoroval M4.

Když William Herschel v roce 1782 zahájil komplexní průzkum oblohy pomocí velkých dalekohledů, bylo známo 34 kulových hvězdokup. Herschel objevil dalších 36 a jako první je prakticky všechny rozložil na hvězdy. Termín kulová hvězdokupa vytvořil ve svém Katalogu druhého tisíce nových mlhovin a hvězdokup (1789).

Počet známých kulových hvězdokup v Mléčné dráze se nadále zvyšoval a dosáhl 83 v roce 1915, 93 v roce 1930, 97 v roce 1947, a 157 v roce 2010. Předpokládá se, že další, neobjevené kulové hvězdokupy jsou v galaktické výduti [18] nebo skrytá plynem a prachem Mléčné dráhy. Andromeda Galaxy -comparable ve velikosti k Mléčné dráze, může mít také více než 500 hvězdokup. Každá galaxie o dostatečné hmotnosti v Místní skupině má přidružený systém kulových hvězdokup, stejně jako téměř každá velká prozkoumávaná galaxie. Některé obří eliptické galaxie(zejména ty v centrech kup galaxií ), jako je M87 , mají až 13 000 kulových hvězdokup.

NGC 7006 je vysoce koncentrovaná kulová hvězdokupa I. třídy.

Počínaje rokem 1914 Harlow Shapley zahájil sérii studií kulových hvězdokup, publikovaných v asi 40 vědeckých pracích. Zkoumal proměnné RR Lyrae kup - hvězdy, o kterých předpokládal, že jsou to proměnné cefeid - a použil jejich svítivost a periodu variability k odhadu vzdáleností kup. Později bylo zjištěno, že proměnné RR Lyrae jsou slabší než proměnné Cepheid, což způsobuje, že Shapley nadhodnocuje vzdálenosti.

Velká většina kulových hvězdokup Mléčné dráhy se nachází na nebeské obloze kolem galaktického jádra. V roce 1918 Shapley použil toto silně asymetrické rozdělení k určení celkových rozměrů galaxie. Za předpokladu zhruba kulového rozložení kulových hvězdokup kolem středu galaxie použil polohy hvězdokup k odhadu polohy Slunce vzhledem ke galaktickému středu. Správně usoudil, že střed Mléčné dráhy je v souhvězdí Střelce a ne blízko Země. Přecenil vzdálenost a našel typické vzdálenosti kulových hvězdokup 10-30 kiloparseků (33 000-98 000 ly); moderní vzdálenost ke galaktickému středu je zhruba 8,5 kiloparseků (28 000 ly).

Shapleyho měření ukázala, že Slunce je relativně daleko od středu galaxie, na rozdíl od toho, co bylo odvozeno z pozorovaného rovnoměrného rozložení obyčejných hvězd. Ve skutečnosti většina obyčejných hvězd leží v disku galaxie a jsou tak zakryty plynem a prachem v disku, zatímco kulové hvězdokupy leží mimo disk a lze je vidět na mnohem větší vzdálenosti.

Klasifikace

Hlavní článek: Shapley-Sawyer Concentration Class

Shapleymu později při studiích shluků pomáhaly Henrietta Swope a Helen Sawyer Hoggová . V letech 1927-1929 Shapley a Sawyer kategorizovali hvězdokupy podle stupně koncentrace hvězd ke každému jádru. Jejich systém, známý jako Shapley-Sawyerova koncentrační třída , identifikuje nejkoncentrovanější shluky jako třídu I a sahá až po nejrozšířenější třídu XII. V roce 2015 navrhli astronomové z Papežské katolické univerzity v Chile na základě pozorovacích dat nový typ kulové hvězdokupy: tmavé kulové hvězdokupy .

formace

NGC 2808 obsahuje tři různé generace hvězd. Snímek NASA

Vznik kulových hvězdokup je málo pochopen. Kulové hvězdokupy byly tradičně popisovány jako jednoduchá hvězdná populace tvořená z jediného obřího molekulárního mračna , a tedy se zhruba rovnoměrným stářím a metalicitou (podíl těžkých prvků v jejich složení). Přesto moderní pozorování ukazují, že téměř všechny kulové hvězdokupy obsahují vícenásobné populace; například kulové hvězdokupy ve Velkém Magellanově mračnu (LMC) vykazují bimodální populaci. Během svého mládí se tyto kupy LMC mohly setkat s obřími molekulárními mračny, která spustila druhé kolo formování hvězd. Toto období vzniku hvězd je relativně krátké ve srovnání se stářím mnoha kulových hvězdokup. Bylo navrženo, že tato multiplicita ve hvězdných populacích by mohla mít dynamický původ. Například v Galaxii Antennae Hubbleův vesmírný dalekohled pozoroval kupy kup - oblasti v galaxii, které zabírají stovky parseků, ve kterých se mnohé kupy nakonec srazí a spojí. Jejich celkový rozsah stáří a (možná) metalicity by mohl vést ke shlukům s bimodálním nebo dokonce vícenásobným rozložením populací.

Kulová hvězdokupa Messier 54

Pozorování kulových hvězdokup ukazují, že jejich hvězdy primárně pocházejí z oblastí efektivnějšího formování hvězd a odkud má mezihvězdné médium vyšší hustotu ve srovnání s normálními oblastmi tvorby hvězd. Tvorba kulových hvězdokup převládá v oblastech starburst a v interagujících galaxiích . Některé kulové hvězdokupy se pravděpodobně vytvořily v trpasličích galaxiích a byly odstraněny slapovými silami, aby se připojily k Mléčné dráze. V eliptických a lentikulárních galaxiíchexistuje korelace mezi hmotností supermasivních černých děr (SMBH) v jejich centrech a rozsahem jejich systémů kulových hvězdokup. Hmotnost SMBH v takové galaxii je často blízká kombinované hmotnosti kulových hvězdokup galaxie.

Žádné známé kulové hvězdokupy nevykazují aktivní tvorbu hvězd, což je v souladu s hypotézou, že kulové hvězdokupy jsou typicky nejstaršími objekty v jejich galaxii a patřily mezi první sbírky hvězd, které se vytvořily. Velmi velké oblasti tvorby hvězd známé jako superhvězdokupy , jako je Westerlund 1 v Mléčné dráze, mohou být předchůdci kulových hvězdokup.

Mnoho z kulových hvězdokup Mléčné dráhy má retrográdní orbitu , včetně nejhmotnější, Omega Centauri. Jeho retrográdní dráha naznačuje, že by se mohlo jednat o pozůstatek trpasličí galaxie zachycené Mléčnou dráhou.

Složení

Hvězdy Djorgovského 1 obsahují vodík a helium, ale nic moc jiného. Z astronomického hlediska jsou chudí na kovy .

Kulové hvězdokupy se obecně skládají ze stovek tisíc starých hvězd s nízkým obsahem kovů . Typ hvězd nalezených v kulové hvězdokupě je podobný hvězdám ve výduti spirální galaxie, ale je omezen na sféroid, ve kterém je polovina světla vyzařována v okruhu pouhých několika až několika desítek parseků . Neobsahují plyn a prach a předpokládá se, že veškerý plyn a prach byly dávno buď přeměněny na hvězdy, nebo byly vyfouknuty z kupy hmotnými hvězdami první generace.

Kulové hvězdokupy mohou obsahovat vysokou hustotu hvězd; v průměru asi 0,4 hvězdy na krychlový parsek, což se zvyšuje na 100 nebo 1000 hvězd/ks 3 v jádru kupy. Ve srovnání s tím je hustota hvězd kolem Slunce zhruba 0,1 hvězdy/ks 3 . Typická vzdálenost mezi hvězdami v kulové hvězdokupě je asi 1 světelný rok, ale v jejím jádru je vzdálenost mezi hvězdami v průměru asi třetina světelného roku - 13krát blíž než Proxima Centauri , nejbližší hvězda k hvězdokupě. Slunce.

Kulové hvězdokupy jsou považovány za nepříznivá místa pro planetární systémy. Planetární oběžné dráhy jsou v jádrech hustých hvězdokup dynamicky nestabilní kvůli gravitačním poruchám procházejících hvězd. Planeta obíhající ve vzdálenosti 1 astronomické jednotky kolem hvězdy, která je v jádru husté hvězdokupy, jako je 47 Tucanae , by přežila pouze řádově 100 milionů let. [51] Existuje planetární systém obíhající kolem pulsaru ( PSR B1620−26 ), který patří do kulové hvězdokupy M4 , ale tyto planety pravděpodobně vznikly po události, která vytvořila pulsar.

Některé kulové hvězdokupy, jako Omega Centauri v Mléčné dráze a Mayall II v galaxii Andromeda, jsou mimořádně hmotné, měří několik milionů slunečních hmotností ( M ) a mají několik hvězdných populací. Obě jsou důkazem toho, že supermasivní kulové hvězdokupy jsou ve skutečnosti jádry trpasličích galaxií , které byly pohlceny většími galaxiemi. Asi čtvrtina populace kulových hvězdokup v Mléčné dráze mohla být akretována tímto způsobem, stejně jako více než 60 % kulových hvězdokup ve vnějším halo Andromedy.

Obsah těžkého prvku

Kulové hvězdokupy se normálně skládají z hvězd Populace II, které ve srovnání s hvězdami Populace I , jako je Slunce , mají vyšší podíl vodíku a helia a nižší podíl těžších prvků. Astronomové označují tyto těžší prvky jako kovy (na rozdíl od materiálového pojetí) a poměry těchto prvků jako metalicita . Kovy, produkované hvězdnou nukleosyntézou , jsou recyklovány do mezihvězdného prostředí a vstupují do nové generace hvězd. Podíl kovů tak může být ukazatelem stáří hvězdy v jednoduchých modelech, přičemž starší hvězdy mají typicky nižší metalicitu.

Nizozemský astronom Pieter Oosterhoff pozoroval dvě zvláštní populace kulových hvězdokup, které se staly známými jako Oosterhoffovy skupiny . Druhá skupina má o něco delší periodu proměnných hvězd RR Lyrae. Zatímco obě skupiny mají nízký podíl kovových prvků, jak bylo změřeno spektroskopií , kovové spektrální čáry ve hvězdách v kupě Oosterhoff typu I (Oo I) nejsou tak slabé jako ty v typu II (Oo II), a tak jsou hvězdy typu I označovány jako bohaté na kovy (např. Terzan 7 ), zatímco hvězdy typu II jsou na kovy chudé (např. ESO 280-SC06 . Tyto dvě odlišné populace byly pozorovány v mnoha galaxiích, zejména v masivních eliptických galaxiích. Obě skupiny jsou téměř tak staré jako vesmír sám a mají podobné stáří. Navrhované scénáře k vysvětlení těchto subpopulací zahrnují prudké slučování galaxií bohatých na plyn, akreci trpasličích galaxií a více fází formování hvězd v jediné galaxii. V Mléčné dráze jsou shluky chudé na kovy spojeny s halo a shluky bohaté na kovy s vyboulením.

V Mléčné dráze je velká většina na kov chudých kup seřazena do roviny ve vnější části halo galaxie. Toto pozorování podporuje názor, že kupy typu II byly zachyceny ze satelitní galaxie, spíše než že by byly nejstaršími členy systému kulových hvězdokup v Mléčné dráze - jak se dříve myslelo. Rozdíl mezi těmito dvěma typy kup by pak byl vysvětlen časovým zpožděním mezi tím, kdy dvě galaxie vytvořily své kupové systémy.

Exotické komponenty

Messier 53 obsahuje neobvykle velké množství typu hvězdy zvané modří opozdilci .

V kulových hvězdokupách dochází relativně často k blízkým interakcím a téměř srážkám hvězd kvůli jejich vysoké hustotě hvězd. Tato náhodná setkání dávají vzniknout některým exotickým třídám hvězd - jako jsou modří opozdilci , milisekundové pulsary a nízkohmotné rentgenové dvojhvězdy - které jsou mnohem běžnější v kulových hvězdokupách. Jak se modří opozdilci formují, zůstává nejasné, ale většina modelů je připisuje interakcím mezi hvězdami, jako je sloučení hvězd , přenos materiálu z jedné hvězdy na druhou nebo dokonce setkání mezi dvěma binárními systémy. Výsledná hvězda má vyšší teplotu než ostatní hvězdy v kupě se srovnatelnou svítivostí a tím se liší odhvězdy hlavní posloupnosti vznikly na počátku existence kupy. Některé shluky mají dvě odlišné sekvence modrých opozdilců, jednu modřejší než druhou.

Kulová hvězdokupa M15 může mít ve svém jádru černou díru střední hmotnosti , ale toto tvrzení je zpochybňováno.

Astronomové hledali černé díry v kulových hvězdokupách od 70. let minulého století. Požadované rozlišení pro tento úkol je náročné; teprve s Hubbleovým vesmírným dalekohledem (HST) byly učiněny první objevy v letech 2002 a 2003. Na základě pozorování HST navrhli jiní výzkumníci existenci 4 000 M  (solární hmotnosti) středně hmotné černé díry v kulová hvězdokupa M15 a černá díra o velikosti 20 000 M v kupě Mayall II v galaxii Andromeda. Jak rentgen, tak radioemise z Mayall II se zdají být v souladu s černou dírou střední hmotnosti; nicméně tyto proklamované detekce jsou kontroverzní. Očekává se, že nejtěžší objekty v kulových hvězdokupách budou migrovat do středu kupy kvůli segregaci hmoty . Jedna výzkumná skupina poukázala na to, že poměr hmoty ke světlu by měl prudce stoupat směrem ke středu kupy, a to i bez černé díry, jak v M15 tak v Mayall II. Pozorování z roku 2018 nenacházejí žádné důkazy o středně hmotné černé díře v žádné kulové hvězdokupě, včetně M15, ale nemohou definitivně vyloučit jednu s hmotností 500-1000 M .

Potvrzení středně hmotných černých děr v kulových hvězdokupách by mělo důležité důsledky pro teorie vývoje galaxií jako možných zdrojů supermasivních černých děr v jejich centrech. Hmotnost těchto předpokládaných černých děr střední hmotnosti je úměrná hmotnosti jejich okolních kup, podle vzoru dříve objeveného mezi supermasivními černými dírami a jejich okolními galaxiemi.

Hertzsprung-Russellovy diagramy kulových hvězdokup

H-R diagram pro kulovou hvězdokupu M3 . V křivce o magnitudě 19 je charakteristické "koleno", kde hvězdy začínají vstupovat do obří fáze své evoluční cesty, do odbočky hlavní sekvence .

Hertzsprungovy-Russellovy diagramy (H-R diagramy) kulových hvězdokup umožňují astronomům určit mnoho vlastností jejich populací hvězd. H-R diagram je graf velkého vzorku hvězd vykreslující jejich absolutní velikost (jejich svítivost nebo jas měřený ze standardní vzdálenosti) jako funkci jejich barevného indexu.. Barevný index, zhruba řečeno, měří barvu hvězdy; kladné barevné indexy označují načervenalou hvězdu s chladným povrchem, zatímco záporné hodnoty označují modřejší hvězdu s teplejším povrchem. Hvězdy na H-R diagramu většinou leží podél zhruba diagonální čáry svažující se od horkých svítících hvězd vlevo nahoře po chladné slabé hvězdy vpravo dole. Tato linie je známá jako hlavní sekvence a představuje primární fázi hvězdné evoluce . Diagram také zahrnuje hvězdy v pozdějších evolučních stádiích, jako jsou chladní, ale zářící červení obři .

Konstrukce H-R diagramu vyžaduje znát vzdálenost k pozorovaným hvězdám, aby bylo možné převést zdánlivou velikost na absolutní. Vzhledem k tomu, že všechny hvězdy v kulové hvězdokupě jsou od Země přibližně stejně daleko, vypadá diagram barev a velikostí využívající jejich pozorované velikosti jako posunutý H-R diagram - kvůli zhruba konstantnímu rozdílu mezi jejich zdánlivými a absolutními velikostmi. Tento posun se nazývá modul vzdálenosti a lze jej použít k výpočtu vzdálenosti ke shluku. Modul je určen porovnáním prvků (jako je hlavní posloupnost) diagramu barvy a velikosti hvězdokupy s odpovídajícími znaky v H-R diagramu jiné sady hvězd, což je metoda známá jako spektroskopická paralaxa nebo přizpůsobení hlavní sekvence.

Vlastnosti

Protože kulové hvězdokupy vznikají najednou z jednoho obřího molekulárního mračna, mají hvězdy v kupě zhruba stejné stáří a složení. Vývoj hvězdy je primárně určen její počáteční hmotností, takže pozice hvězd v H-R nebo barevně magnitudovém diagramu hvězdokupy většinou odrážejí jejich počáteční hmotnosti. H-R diagram kupy se proto zdá být zcela odlišný od H-R diagramů obsahujících hvězdy nejrůznějšího stáří. Téměř všechny hvězdy dopadají na dobře definovanou křivku v H-R diagramech kulové hvězdokupy a tvar této křivky udává stáří kupy. Podrobnější H-R diagram často odhaluje vícenásobné hvězdné populace, jak naznačuje přítomnost těsně oddělených křivek, Pozorování pomocí Wide Field Camera 3 , instalované v roce 2009 na Hubbleově vesmírném dalekohledu, umožnilo rozlišit tyto mírně odlišné křivky.

Nejhmotnější hvězdy hlavní posloupnosti mají nejvyšší svítivost a jako první se vyvinou do stádia obřích hvězd . Jak hvězdokupa stárne, hvězdy postupně nižších hmotností budou dělat totéž. Stáří hvězdokupy s jednou populací lze proto měřit hledáním těch hvězd, které právě začínají vstupovat do fáze obří hvězdy, které tvoří "koleno" v H-R diagramu nazývané hlavní posloupnost turnoff , ohýbající se vpravo nahoře. z hlavní sekvence. Absolutní velikost v tomto ohybu je přímo funkcí stáří kupy; věková stupnice může být vykreslena na ose rovnoběžné s velikostí.

Morfologie a svítivost hvězd kulové hvězdokupy v H-R diagramech jsou ovlivněny řadou parametrů, z nichž mnohé jsou stále aktivně zkoumány. Nedávná pozorování převrátila historické paradigma, že všechny kulové hvězdokupy se skládají z hvězd zrozených přesně ve stejnou dobu nebo sdílejících přesně stejnou chemickou hojnost. Některé shluky představují vícenásobné populace, mírně se lišící složením a stářím; například vysoce přesné snímky kupy NGC 2808 rozeznaly tři blízké, ale odlišné hlavní sekvence. Dále, umístění hvězd v kupě v H-R diagramu - včetně jasnosti indikátorů vzdálenosti - může být ovlivněno pozorovacími odchylkami. Jeden takový efekt, nazývaný prolínání, vzniká, když jsou jádra kulových hvězdokup tak hustá, že pozorování vidí více hvězd jako jeden cíl. Jasnost naměřená pro tuto zdánlivě jedinou hvězdu je tedy nesprávná - příliš jasná, vzhledem k tomu, že přispělo více hvězd. Vypočítaná vzdálenost je zase nesprávná, takže efekt prolnutí může vnést systematickou nejistotu do žebříčku kosmické vzdálenosti a může zkreslit odhadované stáří vesmíru a Hubbleovu konstantu .

Důsledky

Výše zmínění modří opozdilci se na H-R diagramu objevují jako série odchylující se od hlavní sekvence ve směru jasnějších, modřejších hvězd. Bílí trpaslíci (poslední zbytky některých hvězd podobných Slunci), kteří jsou mnohem slabší a poněkud teplejší než hvězdy hlavní posloupnosti, leží na H-R diagramu vlevo dole. Kulové hvězdokupy lze datovat pohledem na teploty nejchladnějších bílých trpaslíků, které často poskytují výsledky staré až 12,7 miliardy let. Pro srovnání, otevřené hvězdokupy jsou jen zřídka starší než asi 500 milionů let. Stáří kulových hvězdokup klade spodní hranici na stáří celého vesmíru, což představuje významné omezení v kosmologii.. Astronomové se historicky potýkali s odhady stáří hvězdokup starších, než by umožňovaly jejich kosmologické modely, ale zdá se, že lepší měření kosmologických parametrů pomocí průzkumů hlubokého nebe a satelitů tento problém vyřešilo.

Studium kulových hvězdokup vrhá světlo na to, jak složení formačního plynu a prachu ovlivňuje vývoj hvězd; evoluční dráhy hvězd se liší v závislosti na množství těžkých prvků. Data získaná z těchto studií se pak použijí ke studiu vývoje Mléčné dráhy jako celku.

Morfologie

Elipticita kulových hvězdokup

Galaxie Elipticita
mléčná dráha 0,07±0,04
LMC 0,16±0,05
SMC 0,19 ± 0,06
M31 0,09±0,04

Na rozdíl od otevřených hvězdokup zůstává většina kulových hvězdokup spolu gravitačně svázána po dobu srovnatelnou s životností většiny jejich hvězd. Silné slapové interakce s jinými velkými hmotami mají za následek rozptýlení některých hvězd a zanechávají za sebou "slapové ohony" hvězd odstraněných z hvězdokupy.

Po zformování začnou hvězdy v kulové hvězdokupě vzájemně gravitačně interagovat. Rychlosti hvězd se neustále mění a hvězdy ztrácejí jakoukoli historii své původní rychlosti. Charakteristickým intervalem pro to, aby k tomu došlo, je relaxační čas související s charakteristickou délkou času, kterou hvězda potřebuje k protnutí hvězdokupy, a počtem hvězdných hmot. Doba relaxace se u jednotlivých shluků liší, ale typická hodnota je v řádu jedné miliardy let.

Ačkoli kulové hvězdokupy mají obecně kulový tvar, elipticita se může tvořit prostřednictvím slapových interakcí. Kupy v Mléčné dráze a Galaxii v Andromedě mají typicky tvar zploštělých sféroidů , zatímco ty ve Velkém Magellanově mračnu jsou spíše eliptické.

Poloměry

NGC 411 je klasifikována jako otevřená hvězdokupa.

Astronomové charakterizovat morfologii (tvar) kulové shluku pomocí standardního poloměrů: poloměru jádra ( R c ), přičemž polovina světlo poloměr ( r h ), a přílivové nebo poloměru Jacobi ( r t ). Poloměr může být vyjádřen jako fyzická vzdálenost nebo jako subtended úhel na obloze. Pokud vezmeme v úvahu poloměr kolem jádra, povrchová svítivost hvězdokupy se vzdáleností plynule klesá a poloměr jádra je vzdálenost, ve které zdánlivá povrchová svítivost klesla na polovinu. Srovnatelnou veličinou je poloměr poloměru světla neboli vzdálenost od jádra obsahující polovinu celkové svítivosti hvězdokupy; poloměr polovičního světla je typicky větší než poloměr jádra.

Většina kulových hvězdokup má poloměr polovičního světla menší než 10 parseků (pc), ačkoli některé kulové hvězdokupy mají velmi velké poloměry, jako NGC 2419 (r h = 18 pc) a Palomar 14 (r h = 25 pc). Poloměr poloměru světla zahrnuje hvězdy ve vnější části hvězdokupy, které náhodou leží podél linie pohledu, takže teoretici také používají poloměr poloměru ( r m ) - poloměr od jádra, které obsahuje polovinu celková hmotnost shluku. Malý poloměr poloviční hmotnosti vzhledem k celkové velikosti ukazuje na husté jádro. Messier 3 (M3) má například celkový viditelný rozměr asi 18 úhlových minut, ale poloměr poloviční hmotnosti pouze 1,12 obloukových minut.

Slapový poloměr neboli Hillova koule je vzdálenost od středu kulové hvězdokupy, ve které má vnější gravitace galaxie větší vliv na hvězdy v kupě než samotná kupa. To je vzdálenost, na kterou mohou být jednotlivé hvězdy patřící do kupy galaxií odděleny. Slapový poloměr M3 je například asi 40 obloukových minut nebo asi 113 pc.

Masová segregace, svítivost a kolaps jádra

Ve většině hvězdokup v Mléčné dráze se povrchová jasnost kulové hvězdokupy v závislosti na klesající vzdálenosti od jádra nejprve zvyšuje a poté se vyrovnává ve vzdálenosti typicky 1-2 parseků od jádra. Asi 20 % kulových hvězdokup prošlo procesem nazývaným "kolaps jádra". V takovém shluku se svítivost neustále zvyšuje až do oblasti jádra.

47 Tucanae - druhá nejjasnější kulová hvězdokupa v Mléčné dráze, po Omega Centauri

Modely kulových hvězdokup předpovídají kolaps jádra, když se hmotnější hvězdy v kulové hvězdokupě setkají se svými méně hmotnými protějšky. V průběhu času dynamické procesy způsobují, že jednotlivé hvězdy migrují ze středu kupy ven, což má za následek čistou ztrátu kinetické energie z oblasti jádra a vede k tomu, že zbývající hvězdy v této oblasti zaujímají kompaktnější objem. Když nastane tato gravitermální nestabilita, centrální oblast hvězdokupy se hustě zaplní hvězdami a povrchová jasnost hvězdokupy vytvoří mocninný vrchol. Masivní černá díra v jádře by také mohla způsobit vrchol svítivosti. Po dlouhou dobu to vede ke koncentraci hmotných hvězd v blízkosti jádra, což je fenomén nazývaný segregace hmoty .

Dynamický ohřívací efekt dvojhvězdných systémů zabraňuje počátečnímu kolapsu jádra hvězdokupy. Když hvězda prochází blízko binárního systému, má oběžná dráha druhého páru tendenci se smršťovat a uvolňovat energii. Teprve po vyčerpání této prvotní zásoby energie může dojít k hlubšímu kolapsu jádra. Naproti tomu účinek slapových rázů, když kulová hvězdokupa opakovaně prochází rovinou spirální galaxie, má tendenci kolaps jádra výrazně urychlit.

Kolaps jádra lze rozdělit do tří fází. Během dospívání hvězdokupy začíná kolaps jádra hvězdami nejblíže k jádru. Interakce mezi binárními hvězdnými systémy brání dalšímu kolapsu, když se kupa blíží střednímu věku. Centrální dvojhvězdy jsou buď narušeny, nebo vyvrženy, což má za následek těsnější koncentraci v jádru.

Interakce hvězd v oblasti zhrouceného jádra způsobuje vznik těsných binárních systémů. Jak ostatní hvězdy interagují s těmito těsnými dvojhvězdami, zvyšují energii v jádru, což způsobuje opětovné rozpínání kupy. Vzhledem k tomu, že průměrná doba kolapsu jádra je obvykle kratší než věk galaxie, mnoho kulových hvězdokup v galaxii mohlo projít fází kolapsu jádra a poté znovu expandovat.

Kulová hvězdokupa NGC 1854 se nachází ve Velkém Magellanově mračnu.

HST poskytla přesvědčivý pozorovací důkaz tohoto procesu třídění hvězdné hmoty v kulových hvězdokupách. Těžší hvězdy zpomalují a shlukují se v jádru kupy, zatímco lehčí hvězdy nabírají rychlost a mají tendenci trávit více času na okraji kupy. Hvězdokupa 47 Tucanae , tvořená asi jedním milionem hvězd, je jednou z nejhustších kulových hvězdokup na jižní polokouli. Tato kupa byla podrobena intenzivnímu fotografickému průzkumu, který získal přesné rychlosti pro téměř 15 000 hvězd v této kupě.

Celková svítivost kulových hvězdokup v Mléčné dráze a galaxii v Andromedě má každá zhruba Gaussovu distribuci s průměrnou velikostí M v a rozptylem σ 2 . Toto rozložení jasů kulové hvězdokupy se nazývá funkce globulární hvězdokupy (GCLF). Pro Mléčné dráhy, M v = -7,29 ± 0,13 , σ = 1,1 ± 0,1 . GCLF byl použit jako " standardní svíčka " pro měření vzdálenosti k jiným galaxiím za předpokladu, že kulové hvězdokupy ve vzdálených galaxiích se chovají podobně jako v Mléčné dráze.

Simulace N-těl

Hlavní článek: Simulace N-tělesa

Výpočet gravitačních interakcí mezi hvězdami v kulové hvězdokupě vyžaduje vyřešení problému N-těles . Naivní výpočetní náklady na dynamickou simulaci rostou úměrně k N 2 (kde N je počet objektů), takže výpočetní požadavky na přesnou simulaci shluku tisíců hvězd mohou být obrovské. Efektivnější metoda simulace dynamiky N-těl kulové hvězdokupy se provádí rozdělením na malé objemy a rozsahy rychlostí a použitím pravděpodobností k popisu umístění hvězd. Jejich pohyby jsou popsány pomocí Fokker-Planckovy rovnice, často používající model popisující hustotu hmoty jako funkci poloměru, jako je Plummerův model . Simulace se stává obtížnější, když musí být zahrnuty také účinky dvojhvězd a interakce s vnějšími gravitačními silami (např. z galaxie Mléčná dráha). V roce 2010 bylo možné přímo vypočítat vývoj kulové hvězdokupy s nízkou hustotou, hvězdu po hvězdě.

Dokončené simulace N-těla ukázaly, že hvězdy mohou sledovat neobvyklé cesty skrz kupu, často tvoří smyčky a padají příměji k jádru, než by tomu bylo u jedné hvězdy obíhající kolem centrální hmoty. Některé hvězdy navíc získávají dostatečnou energii k úniku z kupy díky gravitačním interakcím, které vedou k dostatečnému zvýšení rychlosti. Po dlouhou dobu tento proces vede k rozptýlení shluku, což je proces nazývaný vypařování. Typické časové měřítko pro vypařování kulové hvězdokupy je 10 10 let. Konečným osudem kulové hvězdokupy musí být buď akrece hvězd v jejím jádru, což způsobí její stálou kontrakci, nebo postupné vylučování hvězd z jejích vnějších vrstev.

Dvojhvězdy tvoří významnou část hvězdných systémů, přičemž až polovina všech polních hvězd a hvězd v otevřené hvězdokupě se vyskytuje v dvojhvězdných systémech. Současný binární zlomek v kulových hvězdokupách je obtížně měřitelný a jakákoliv informace o jejich počátečním binárním zlomku se následným dynamickým vývojem ztrácí. Numerické simulace kulových hvězdokup ukázaly, že dvojhvězdy mohou bránit a dokonce zvrátit proces kolapsu jádra v kulových hvězdokupách. Když se hvězda v kupě gravitační střetne s dvojhvězdou, možným výsledkem je, že se dvojhvězda stane pevnější a osamělé hvězdě se přidá kinetická energie. Když jsou masivní hvězdy v kupě tímto procesem urychleny, snižuje se smršťování jádra a omezuje kolaps jádra.

Mezilehlé formy

Messier 10 leží asi 15 000 světelných let od Země v souhvězdí Ophiuchus .

Klasifikace klastrů není vždy jednoznačná; byly nalezeny objekty, které rozmazávají čáry mezi kategoriemi. Například BH 176 v jižní části Mléčné dráhy má vlastnosti jak otevřené, tak kulové hvězdokupy.

V roce 2005 astronomové objevili nový, "rozšířený" typ hvězdokupy v halo galaxie v Andromedě, podobnou kulové hvězdokupě. Nově nalezené hvězdokupy mají podobný počet hvězd jako kulové hvězdokupy a sdílejí další charakteristiky, jako jsou hvězdné populace a metalicita, ale vyznačují se větší velikostí - v průměru několik set světelných let - a stokrát nižší hustotou. Jejich hvězdy jsou odděleny většími vzdálenostmi; parametricky tyto kupy leží někde mezi kulovou hvězdokupou a trpasličí sféroidní galaxií .

Vznik těchto rozšířených shluků pravděpodobně souvisí s akrecí. Není jasné, proč Mléčná dráha takové shluky postrádá; Je nepravděpodobné, že by Andromeda byla jedinou galaxií s nimi, ale jejich přítomnost v jiných galaxiích zůstává neznámá.

Setkání s přílivem a odlivem

Když se kulová hvězdokupa přiblíží k velké hmotě, jako je oblast jádra galaxie, podstoupí slapovou interakci . Rozdíl v gravitační síle mezi bližší a vzdálenější částí kupy má za následek asymetrickou slapovou sílu. "Slapový šok" nastává vždy, když oběžná dráha kupy vede přes rovinu galaxie.

Slapové rázy mohou odtáhnout hvězdy od halo kupy a ponechat pouze jádrovou část kupy; tyto stopy hvězd mohou sahat několik stupňů od hvězdokupy. Tyto ohony typicky předcházejí a následují kupu podél její oběžné dráhy a mohou akumulovat významné části původní hmoty kupy a vytvářet útvary podobné shlukům. Kulová hvězdokupa Palomar 5 je například blízko apogalaktického bodusvé oběžné dráhy po průchodu Mléčnou dráhou. Proudy hvězd se táhnou směrem k přední a zadní části orbitální dráhy této hvězdokupy a táhnou se do vzdáleností 13 000 světelných let. Přílivové interakce odstranily velkou část hmoty Palomar 5; očekává se, že další interakce s galaktickým jádrem jej přemění na dlouhý proud hvězd obíhajících kolem Mléčné dráhy v jejím halo.

Mléčná dráha je v procesu slapového odstraňování hvězd a kulových hvězdokup z trpasličí sféroidní galaxie Sagittarius prostřednictvím proudu Sagittarius . Až 20 % kulových hvězdokup ve vnějším halo Mléčné dráhy mohlo pocházet z této galaxie. Palomar 12 například s největší pravděpodobností pochází z trpasličí sféroidální Střelce, ale nyní je spojen s Mléčnou dráhou. Slapové interakce, jako jsou tyto, přidávají kinetickou energii do kulové hvězdokupy, čímž dramaticky zvyšují rychlost vypařování a zmenšují velikost kupy. Zvýšené odpařování urychluje proces kolapsu jádra.

Planety

Astronomové hledají exoplanety hvězd v kulových hvězdokupách. Pátrání po obřích planetách v kulové hvězdokupě 47 Tucanae v roce 2000 dopadlo negativně, což naznačuje, že množství těžších prvků - málo v kulových hvězdokupách - nezbytných pro stavbu těchto planet může být třeba alespoň 40 % množství Slunce. . Vzhledem k tomu, že pozemské planety jsou postaveny z těžších prvků, jako je křemík, železo a hořčík, členské hvězdy mají mnohem nižší pravděpodobnost, že budou hostit planety o hmotnosti Země než hvězdy v sousedství Slunce. Je tedy nepravděpodobné, že by kulové hvězdokupy hostily obyvatelné terestrické planety .

V kulové hvězdokupě Messier 4 obíhající kolem pulsaru v binárním hvězdném systému PSR B1620-26 byla nalezena obří planeta . Excentrická a velmi nakloněná dráha planety naznačuje, že mohla vzniknout kolem jiné hvězdy v kupě a poté "vyměněna" do svého současného uspořádání. Pravděpodobnost blízkých setkání mezi hvězdami v kulové hvězdokupě může narušit planetární systémy; některé planety se osvobodí, aby se staly darebnými planetami , obíhajícími kolem galaxie. Planety obíhající blízko své hvězdy se mohou narušit, což může vést k rozpadu oběžné dráhy a zvýšení excentricity oběžné dráhy a slapových efektů.