Wenn es um sofortige und weit verbreitete Anziehungskraft geht, haben es astronomische Diagramme schwer. Es gibt einen Grund, den wir haben Die schönsten Weltraumbilder des Jahres 2012 , aber nicht „Die coolsten Diagramme der Astronomie 2012“. Aber wohl sind Diagramme (genauer: Plots, die uns helfen, eine oder mehrere physikalische Größen zu visualisieren) der Schlüssel zum Verständnis all der Objekte, deren farbenfrohe Bilder wir kennen und lieben.
Gewiss sind einige Diagramme recht berühmt geworden. Nehmen Sie das Hubble-Diagramm, das die Rotverschiebungen der Galaxien gegen ihre Entfernungen aufträgt: Seine früheste Version markiert die Entdeckung, dass wir in einem expandierenden Universum leben. Eine neuere Inkarnation, die zeigt, wie sich die kosmische Expansion beschleunigt, hat ihren Schöpfern 2011 den Nobelpreis für Physik eingebracht.
Ein weiteres berühmtes Diagramm ist das Hertzsprung-Russell-Diagramm (kurz HR-Diagramm oben gezeigt). Ein einzelner Stern sagt Ihnen nicht viel über Sterne im Allgemeinen aus. Aber wenn man die Helligkeiten und Farben vieler Sterne einträgt, beginnen sich Muster abzuzeichnen – wie das markante breite Band der „Hauptreihe“, das das HR-Diagramm diagonal halbiert, das Reich der Riesen und Überriesen rechts oben und die Weißen Zwerge unten links.
Als Astronomen diese Muster zum ersten Mal erkannten, machten sie die ersten Schritte zu unserem modernen Verständnis der Entwicklung von Sternen im Laufe der Zeit.
Das erste HR-Diagramm wurde 1913 vom US-Astronomen Henry Norris Russell veröffentlicht (oder zumindest in Worten beschrieben, wenn du dir den artikel anschaust ); Hubbles erstes Diagramm 1929. Mir fällt spontan keine berühmte astronomische Verschwörung mit neueren Wurzeln ein.
Aber das bedeutet nicht, dass es nicht einige Handlungen gibt, die von Rechts wegen berühmt sein sollten. Hier ist meine Interpretation dessen, was 2003 eines der ersten umfassenden Beispiele dieser Art gewesen sein muss (aus Dieser Beitrag von Blanton et al. 2003). Das Diagramm zeigt die Farben vieler verschiedener Galaxien und wie häufig oder seltener Galaxien mit diesen bestimmten Farben angetroffen werden:
Wenn Sie mit dieser Art von Plot nicht vertraut sind, stellen Sie sich die vertikalen Linien am besten als Unterteilung des Diagramms in Behälter vor – denken Sie an „Glaszylinder, in die Sie Dinge legen können“. Als nächstes erhalten Sie eine Probe von Bildern entfernter Galaxien. Hier sind einige, die ich mit dem abgerufen habe Skyserver-Tool freundlicherweise zur Verfügung gestellt von den Leuten, die das produziert haben Sloan Digital Sky Survey (SDSS) – eine riesige Umfrage, die in ihrer neuesten Datenveröffentlichung mehr als 1,4 Millionen Galaxien auflistet:
Galaxien aus dem Sloan Digital Sky Survey.
Wenn diese Bilder weniger detailliert sind als Sie es gewohnt sind, liegt das daran, dass die Galaxien selbst für extragalaktische Verhältnisse sehr weit entfernt sind – ihr Licht braucht fast 1,3 Milliarden Jahre, um uns zu erreichen. Trotzdem können Sie die unterschiedlichen Farben der Galaxien leicht unterscheiden.
Mit diesen Informationen zurück zu unseren (Glas-)Behältern. Stellen Sie sich die verschiedenfarbigen Galaxien als verschiedenfarbige Murmeln vor. Jeder Behälter akzeptiert Galaxien einer bestimmten Farbschattierung – legen Sie also jede Murmel in den entsprechenden Behälter! Während Sie dies tun, füllen sich einige der Behälter mehr, andere weniger. Die farbigen Balken zeigen den Füllstand jedes Behälters an. Auf der Skala links können Sie die entsprechenden Zahlen ablesen. Zum Beispiel enthält die am besten gefüllte Tonne etwas mehr als 5 Prozent aller Galaxien-Murmeln.
Nachdem Sie nun wissen, wie das Diagramm zu lesen ist, entfernen wir die zusätzlichen vertikalen Linien. In einem in einer astronomischen Forschungszeitschrift veröffentlichten Artikel würde ein solches „Histogramm“ so aussehen:
Galaxienverteilung nach Farbe. Bildnachweis: Markus Pössel
Ich habe die Farbgebung belassen, obwohl Sie sie wahrscheinlich nicht in einer astronomischen Zeitung finden würden. Das eigene Farbmaß der Astronomen, das auf der horizontalen Achse mit „g-r“ bezeichnet wird, ist ein bisschen technisch – ignorieren wir diese Details und bleiben wir bei den Farben, die wir im Diagramm sehen.
Um die Fächer in diesem speziellen Diagramm zu füllen, sortierten die Astronomen der SDSS-Kollaboration 183.487 Galaxien aus ihrer Durchmusterung nach Farben.
Was sagt uns das Diagramm? Offensichtlich gibt es zwei Spitzen: einen nahe dem bläulichen Ende links, einen nahe dem rötlichen Ende rechts. Das deutet auf zwei verschiedene Arten von Galaxien hin. Galaxien der ersten Art haben im Durchschnitt eine bläulich-weiße Farbe, wobei einige Exemplare etwas mehr und andere etwas weniger blau sind (weshalb der Gipfel etwas breit ist). Galaxien der anderen Art sind im Durchschnitt viel röter.
Die Farbe einer Galaxie leitet sich von ihren Sternen ab. Eine bläuliche Galaxie ist eine mit bläulichen Sternen. Bläuliche Sterne sind heißer als rötliche. (Denken Sie an das Erhitzen von Metall: Es beginnt matt rot, wird orange, dann weißglühend; wenn Sie Metall noch heißer machen könnten, würde es bläulich strahlen.) Heiße Sterne sind massereicher als kühlere Sterne, und sie leben schnell und sterben jung — die massivsten sterben nach weit weniger als einer Million Jahren, ein flüchtiger Moment im Vergleich zur geschätzten Lebensdauer unserer Sonne von zehn Milliarden Jahren. Damit eine Galaxie insgesamt blau leuchten kann, muss sie über einen ständigen Vorrat dieser kurzlebigen bläulichen Sterne verfügen, die neue blaue Sterne in ausreichender Menge produzieren, wenn die alten ausbrennen. Offensichtlich produzieren die bläulichen Galaxien ständig neue bläuliche Sterne. Da es keinen bekannten Mechanismus gibt, der eine Galaxie dazu bringt, nur bläuliche Sterne zu produzieren, können wir die Angabe fallen lassen: Diese Galaxien produzieren ständig neue Sterne.
Die rötlichen Galaxien hingegen produzieren kaum neue Sterne. Wenn ja, dann sollte es nach allem, was wir über die Sternentstehung wissen, genügend bläuliche Sterne in der Umgebung geben, um diesen Galaxien insgesamt eine bläuliche Tönung zu verleihen. Ohne neue Sterne bleiben nur langlebige, weniger massereiche Sterne übrig, und diese neigen dazu, kühler und rötlicher zu sein.
Die Existenz zweier unterschiedlicher Galaxienklassen – Sternentstehung vs. „rot und tot“ – ist eine treibende Kraft hinter der aktuellen Forschung zur Galaxienentwicklung, ähnlich wie es das HR-Diagramm für die Sternentwicklung war. Warum gibt es zwei verschiedene Arten? Was bringt die bläulichen Galaxien dazu, Sterne zu produzieren, und was verhindert die rötlichen? Bewegen sich Galaxien mit der Zeit von einem Lager zum anderen? Und wenn ja, wie und in welche Richtung? Wenn du ein liest Artikel wie dieser über die Pflege und Ernährung von Teenagergalaxien, oder Dieses hier über Galaxien, die ihr Gas recyceln, dreht sich alles um Astronomen, die versuchen, Teile des Puzzles zu finden, warum es diese beiden Populationen gibt.
Dieses Diagramm verdient eindeutig eine breitere öffentliche Anerkennung. Und zweifellos gibt es viele andere, ebenso unterschätzte astronomische Plots. Bitte helfen Sie mir, ihnen die Anerkennung zu geben, die sie verdienen: Welche Diagramme haben am meisten dazu beigetragen, Ihr Verständnis dafür zu verbessern, was da draußen ist? Welche haben Sie überrascht? Welche haben Ihnen einen Nervenkitzel über den Rücken getrieben? Bitte poste einen Link oder eine Beschreibung und lass uns sehen, ob wir eine „Top 10“-Liste astronomischer Diagramme erstellen können. Und wer weiß: Vielleicht versuchen wir es sogar Ende des Jahres mit einem „Astronomy’s coolest diagrams 2013“.
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Weitere Informationen darüber, wie das Zwei-Peak-Galaxiendiagramm erstellt wurde, einschließlich verschiedener Versionen zum Download und des Python-Skripts, das es erstellt hat, finden Sie Hier . Wenn Sie die technischen Details zur Farbe wissen möchten: Die Werte auf der x-Achse entsprechen g-r, wobei g die Helligkeit des Sterns ist (ausgedrückt in den üblichen astronomischen Größensystem ) durch einen bestimmten grünlichen Filter und r die Helligkeit durch einen bestimmten rötlichen Filter. Details zum verwendeten ugriz Filtersystem finden Sie auf diese SDSS-Seite . Und falls Sie sich Sorgen über den Effekt machen, den die kosmische Rotverschiebung auf die Galaxien in der Probe gehabt haben könnte: Die Astronomen haben darauf geachtet, diesen speziellen Effekt zu kompensieren und die Farben so zu korrigieren, dass sie so erscheinen, als ob jede der Galaxien so weit entfernt wäre dass sein Licht 1,29 Milliarden Jahre brauchen würde, um uns zu erreichen (also bei einer kosmischen Rotverschiebung von z=0,1).
Vielen Dank an Kate H.R. Rubin für den Hinweis auf das Galaxiendiagramm und für hilfreiche Diskussionen.
