Auf der Suche nach den ältesten Sternen (German Edition)

Hauptreihe bleibt alles unverändert, da die masseärmeren Sterne die Hauptreihe noch nicht verlassen haben.
    Ein alter Sternhaufen, wie z.B. der Kugelsternhaufen M15 mit 12 Milliarden Jahren, zeigt nur noch ein unteres Teilstück der Hauptreihe. Wie in Abbildung 6.4 (unten) gesehen werden kann, haben sich alle Sterne bis auf die masseärmsten schon zu Roten Riesen entwickelt. Deswegen erscheint der Riesenast sehr ausgeprägt. Weiterhin sind schon einige Sterne als Supernova explodiert und daher im Farben-Helligkeits-Diagramm nicht mehr anzutreffen.
    Die Entfernung eines jüngeren offenen Sternhaufens ist am einfachsten im Vergleich zu einem Haufen schon bekannter Entfernung zu bestimmen. Durch Übereinanderschieben der stark ausgeprägten Hauptreihen gegeneinander in vertikaler Richtung erhält man eine Helligkeitsdifferenz zwischen dem Vergleichshaufen und dem zu vermessenden Sternhaufen. Diese Helligkeitsdifferenz der beiden Hauptreihen im Farben-Helligkeits-Diagramm ist ein Maß für die Entfernungsdifferenz der beiden Haufen.

Abb. 6.4: Farben-Helligkeits-Diagramme dreier verschiedener Sternhaufen. Oben: Der offene Sternhaufen der Plejaden ist erst 115 Millionen Jahre alt. Mitte: Der 730 Millionen Jahre alte offene Sternhaufen Praesepe. Unten: Mit 12 Milliarden Jahren ist der Kugelsternhaufen M15 eines der ältesten Objekte im Universum.
    Die Entfernungsbestimmung von alten Kugelsternhaufen erfolgt über RR-Lyrae-Sterne. Wie die Cepheiden verändern auch diese Sterne periodisch ihre Helligkeit und werden daher oft als pulsierende Haufenveränderliche bezeichnet. Sie stehen im Farben-Helligkeits-Diagramm an einer charakteristischen Stelle auf dem Horizontalast. Die Existenz dieser Sterne im Farben-Helligkeits-Diagramm deutet auf ein schon fortgeschrittenes Alter hin, denn der Horizontalast wird erst in Spätstadien der Sternentwicklung erreicht. Sie sind besonders hilfreich bei der Bestimmung von Entfernungen, da über die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung ihre tatsächliche Leuchtkraft erhalten werden kann. Gleichzeitig kann die beobachtete Helligkeit der RR-Lyrae-Sterne im Farben-Helligkeits-Diagramm am Horizontalast abgelesen werden (siehe Abbildung 6.4, unten). Die Differenz zwischen der beobachteten Helligkeit und der Leuchtkraft der Sterne lässt auf ihre Entfernung schließen.
    Für die Altersbestimmung von offenen Sternhaufen benötigt man den Farbenwert des Abknickpunktes (Turn-off-Punkt) von der Hauptreihe im Farben-Helligkeits-Diagramm, denn die Farbe des Abknickpunktes im Farben-Helligkeits-Diagramm ändert sich ja im Laufe der Entwicklung einer Sternhaufenpopulation. Sie wird mit zunehmendem Alter immer röter, weil sich immer masseärmere Sterne von der Hauptreihe weg in Richtung Riesenast entwickeln (siehe Abbildung 6.4). Somit wandert der Abknickpunkt nach rechts.
    Das Alter eines Haufens wird mit Isochronen bestimmt. Isochronen sind die theoretischen Linien im Hertzsprung-Russell-Diagramm bzw. im Farben-Helligkeits-Diagramm, auf denen Sterne gleichen Alters, aber unterschiedlicher Masse liegen (siehe Abb. 4.8). Sie beruhen auf Sternentwicklungsrechnungen. Diese Art von Berechnungen verfolgen die zeitliche Entwicklung von Sternen. Ein Sternhaufen ist also nichts anderes als eine »beobachtete« Isochrone, da alle Sterne das gleiche Alter und auch die gleiche Metallizität haben. Die Lage und Form der Isochronen ist von der chemischen Zusammensetzung der Sterne abhängig. Junge Sterne sind metallreich, etwa so wie die Sonne. Der Vergleich der Position der Haufensterne im Farben-Helligkeits-Diagramm, insbesondere der Turn-off-Region, mit mehreren Isochronen von solarer Metallizität, aber mit verschiedenen Altern, führt direkt zu einer Altersbestimmung.
    Für die Altersbestimmung der Kugelsternhaufen benötigt man nun verschiedene Sätze von Isochronen mit unterschiedlichen Metallizitäten und Altersstufen. Denn Kugelsternhaufen zeigen eine Vielfalt von Metallizitäten, und man muss die richtige auswählen. Auch die jeweilige Position des Turn-off im Farben-Helligkeits-Diagramm hängt von der Metallizität des Sternhaufens ab. Die im Farben-Helligkeits-Diagramm eines Kugelsternhaufens erkennbaren Positionen aus Hauptreihe, Riesenast und Horizontalast werden so lange gegen die Isochronen der zugehörigen Metallizität verschoben, bis eine Isochrone passt. Die »richtige« Isochrone repräsentiert wiederum sofort das Alter des Kugelsternhaufens.
    Sternhaufen sind nach wie vor sehr beliebte