Mass segregation (astronomy)

Mass segregation (astronomy)

V astronomii je dynamická segregace hmoty proces, při kterém těžší členové gravitačně vázaného systému, jako je hvězdokupa nebo kupa galaxií , mají tendenci se pohybovat směrem ke středu, zatímco lehčí členové mají tendenci se pohybovat dále od středu.

Ekvipartice kinetické energie

Během blízkého setkání dvou členů shluku si členové vyměňují energii i hybnost . Ačkoli energie může být vyměněna v obou směrech, tam je statistická tendence pro kinetickou energii dvou členů vyrovnat se během setkání; tento statistický jev se nazývá equipartition a je podobný skutečnosti, že očekávaná kinetická energie molekul plynu je při dané teplotě stejná.

Protože kinetická energie je úměrná hmotnosti krát čtverec rychlosti, ekvipartice vyžaduje, aby se méně hmotné členy shluku pohybovaly rychleji. Masivnější členy tak budou mít tendenci klesat na nižší dráhy (tedy obíhají blíže ke středu kupy), zatímco méně hmotné členy budou mít tendenci stoupat na vyšší dráhy.

Doba, za kterou se kinetické energie členů shluku zhruba vyrovnají, se nazývá relaxační doba shluku. Časová škála relaxace za předpokladu, že se energie vyměňuje prostřednictvím interakcí dvou těl, byla aproximována v učebnici Binney & Tremaine jako

kde je počet hvězd v hvězdokupě a je typický čas, za který hvězda protne hvězdokupu. To je řádově 100 milionů let pro typickou kulovou hvězdokupu o poloměru 10 parseků sestávající ze 100 tisíc hvězd. Nejhmotnější hvězdy v kupě se mohou segregovat rychleji než méně hmotné hvězdy. Toto časové měřítko lze aproximovat pomocí modelu hraček vyvinutého Lymanem Spitzerem hvězdokupy, kde mají hvězdy pouze dvě možné hmotnosti ( a ). V tomto případě hmotnější hvězdy (hmot) se časem oddělí

Vnější segregace bílých trpaslíků byla pozorována v kulové hvězdokupě 47 Tucanae ve studii HST této oblasti.

Mnoho kulových hvězdokup , jako je 13Gyr stará hvězdokupa M30 (na obrázku), je hromadně segregováno.

Prvotní masová segregace

Masová segregace je příležitostně vidět v kupách v hvězdotvorných oblastech, jako je W40 (na obrázku).

Prvotní segregace hmoty je nerovnoměrné rozložení hmot přítomných při vytváření shluku. Argument, že hvězdokupa je primordiálně hromadně segregovaná, je obvykle založen na srovnání časových měřítek virializace a stáří kupy. Bylo však zkoumáno několik dynamických mechanismů pro urychlení virializace ve srovnání s interakcemi dvou těl. V oblastech vzniku hvězd je často pozorováno, že hvězdy typu O se přednostně nacházejí ve středu mladé hvězdokupy.

Odpařování

Po relaxaci může být rychlost některých členů s nízkou hmotností větší než úniková rychlost kupy, což má za následek, že se tyto členy v kupě ztratí. Tento proces se nazývá vypařování . (Podobný jev vysvětluje ztrátu lehčích plynů z planety, jako je vodík a helium ze Země - po ekvipartici některé molekuly dostatečně lehkých plynů v horní části atmosféry překročí únikovou rychlost planety a ztratí se. )

Prostřednictvím vypařování se většina otevřených hvězdokup nakonec rozplyne, jak naznačuje skutečnost, že většina existujících otevřených hvězdokup je poměrně mladá. Kulové hvězdokupy , které jsou pevněji vázané, se zdají být odolnější.