ไดอะแกรมดัชนีสีกับความสว่าง

ไดอะแกรมดัชนีสีกับความสว่าง
ไดอะแกรมของแฮร์ทสชปรุง-รัสเซลล์ คือกราฟแสดงข้อมูลตัวอย่างจำนวนมากของดาวฤกษ์ ระหว่างค่าโชติมาตรสัมบูรณ์กับดัชนีสีของดาวเหล่านั้น ดัชนีสี B-V คือค่าความแตกต่างระหว่างอันดับความสว่างของดาวในแสงสีน้ำเงิน (คือ B) กับอันดับความสว่างในแสงที่ตามองเห็น (คือ V หรือแสงสีเขียว-เหลือง) ถ้าค่าเป็นบวกมากๆ แสดงว่าเป็นดาวแดงที่มีอุณหภูมิพื้นผิวค่อนข้างเย็น ส่วนค่าที่เป็นลบหมายถึงดาวน้ำเงินที่มีอุณหภูมิพื้นผิวค่อนข้างสูง

เมื่อนำดาวฤกษ์ใกล้ดวงอาทิตย์มาพล็อตตำแหน่งลงบนไดอะแกรม จะแสดงให้เห็นการกระจายตัวของดาวฤกษ์ที่มีมวลขนาดต่างๆ กัน รวมถึงอายุ และองค์ประกอบที่ต่างกัน ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่จะอยู่ในบริเวณเส้นลาดชันของกราฟ ยิ่งมีความร้อนสูงขึ้นก็จะมีค่าโชติมาตรปรากฏเพิ่มมากขึ้น ดาวฤกษ์ที่อยู่บนเส้นลาดชันของกราฟเช่นนี้เรียกว่า ดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลัก อย่างไรก็ดี แผนภาพยังแสดงรวมถึงดาวฤกษ์ที่อยู่ภาวะหลังวิวัฒนาการและเคลื่อนตัวออกไปพ้นจากแถบลำดับหลักด้วยเช่นกัน

ดังทราบแล้วว่า ดาวฤกษ์ในกระจุกดาวทรงกลมอยู่ห่างจากโลกของเราเป็นระยะทางใกล้เคียงกัน ค่าโชติมาตรสัมบูรณ์ของดาวเหล่านี้จึงต่างจากค่าโชติมาตรปรากฏในปริมาณพอๆ กันด้วย ดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักที่อยู่ในกระจุกดาวทรงกลมจะตกอยู่บนเส้นที่เชื่อกันว่าใกล้เคียงกันกับดาวฤกษ์เพื่อนบ้านของระบบสุริยะ (สมมุติฐานนี้ได้รับการยืนยันจากผลเปรียบเทียบที่ได้จากการเปรียบเทียบความสว่างของดาวแปรแสงคาบสั้นที่อยู่ใกล้ๆ เช่น ดาวแปรแสงอาร์อาร์ไลเรหรือดาวแปรแสงเซเฟอิด กับบรรดาดาวฤกษ์ในกระจุกดาวนั้น) [28]

เมื่อเทียบเส้นกราฟเหล่านี้ลงบนไดอะแกรมของแฮร์ทสชปรุง-รัสเซลล์ เราจึงสามารถบอกค่าโชติมาตรสัมบูรณ์ของดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักในกระจุกดาวได้ ผลสืบเนื่องจากการนี้คือเราสามารถประมาณระยะห่างของกระจุกดาวโดยเปรียบเทียบกับค่าโชติมาตรปรากฏของดาวได้ โดยใช้การคำนวณจากความแตกต่างระหว่างค่าโชติมาตรสัมพัทธ์กับโชติมาตรสัมบูรณ์ และระยะทางโมดูลัส[29]

เมื่อเราพล็อตดาวฤกษ์จากกระจุกดาวทรงกลมที่สนใจลงบนไดอะแกรมของแฮร์ทสชปรุง-รัสเซลล์แล้ว จะพบว่าดาวฤกษ์เกือบทั้งหมดอยู่ในแนวใกล้เคียงกันเป็นเส้นโค้งที่เหมาะเจาะ ซึ่งจะต่างจากเส้นกราฟของดาวฤกษ์อื่นที่ใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์อันแสดงถึงความแตกต่างของอายุและกำเนิดของดาว รูปร่างเส้นโค้งของกระจุกดาวทรงกลมแสดงให้เห็นถึงคุณลักษณะของกลุ่มดาวเหล่านั้นที่ถือกำเนิดขึ้นในเวลาเดียวกันและจากวัตถุสสารชนิดเดียวกัน จะแตกต่างกันก็เพียงมวลเริ่มต้นของแต่ละดวงเท่านั้น เนื่องจากตำแหน่งของดาวแต่ละดวงบนไดอะแกรมจะเปลี่ยนแปรไปตามอายุของดาว เราจึงสามารถใช้รูปร่างของกราฟกระจุกดาวทรงกลมเพื่อบ่งบอกอายุโดยรวมของกลุ่มดาวเหล่านั้นได้[30]


ดัชนีสี-ความสว่าง ของกระจุกดาวทรงกลม M3 สังเกตว่ามีรูปร่างคล้าย "หัวเข่า" ที่อันดับความสว่าง 19 ซึ่งดาวฤกษ์เริ่มเข้าสู่สภาวะสำคัญในเส้นทางการวิวัฒนาการ
ดาวฤกษ์ของกระจุกดาวทรงกลมบนแถบลำดับหลักที่มีมวลมากที่สุด จะมีค่าโชติมาตรสัมบูรณ์สูงที่สุดด้วย ดาวเหล่านี้จะมีการเปลี่ยนแปลงไปเป็นดาวยักษ์เป็นพวกแรกๆ ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยลงไปตามลำดับก็จะค่อยๆ เปลี่ยนแปลงไปเป็นดาวยักษ์ตามอายุของกระจุกดาว ดังนั้นเราจึงอาจตรวจวัดอายุของกระจุกดาวได้โดยการมองหาดาวฤกษ์ที่เพิ่งเปลี่ยนแปลงไปเป็นดาวยักษ์ ซึ่งบนแผนภาพ HR Diagram จะแสดงเป็นรูปร่างคล้าย "หัวเข่า" ที่โค้งขึ้นไปทางด้านบนขวาของเส้นแถบลำดับหลัก โชติมาตรสัมบูรณ์ที่ตำแหน่งเส้นโค้งนี้เป็นฟังก์ชันโดยตรงกับอายุของกระจุกดาวทรงกลม ดังนั้นจึงสามารถพล็อตอันดับของอายุดาวลงบนแกนที่ขนานกับแกนของโชติมาตรได้

นอกจากนี้ ยังสามารถระบุอายุของกระจุกดาวทรงกลมได้โดยการดูที่อุณหภูมิของดาวแคระขาวที่เย็นที่สุด ผลที่ได้โดยเฉลี่ยพบว่ากระจุกดาวทรงกลมจะมีอายุเก่าแก่ที่สุดราว 12,700 ล้านปี[31] ซึ่งแตกต่างอย่างมากจากกระจุกดาวเปิดที่มีอายุเฉลี่ยเพียงประมาณไม่กี่สิบล้านปีเท่านั้น

อายุของกระจุกดาวทรงกลมนี้เป็นขีดจำกัดอายุอย่างน้อยที่สุดของเอกภพทั้งมวล ค่าต่ำสุดที่เป็นไปได้ของอายุเอกภพนี้เป็นค่าคงตัวที่มีความสำคัญอย่างมากในการศึกษาจักรวาลวิทยา ระหว่างช่วงต้นคริสต์ทศวรรษ 1990 นักดาราศาสตร์ประสบกับปัญหาที่ว่าอายุโดยประมาณของกระจุกดาวทรงกลมกลับมีค่ามากกว่าอายุของเอกภพที่ได้จากแบบจำลอง อย่างไรก็ดี การตรวจวัดค่าองค์ประกอบต่างๆ ของจักรวาลที่ดีขึ้นโดยการศึกษาจากอวกาศห้วงลึกและดาวเทียมอีกหลายชนิด เช่น ดาวเทียมโคบี ได้สางปัญหานี้ออกในเวลาต่อมาโดยใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่แสดงถึงวิวัฒนาการของดวงดาว โดยใช้แบบจำลองทางจักรวาลวิทยาหลายแบบทำการคำนวณร่วมกัน

ความก้าวหน้าในการศึกษากระจุกดาวทรงกลมสามารถนำไปใช้ตรวจสอบและอธิบายความเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากองค์ประกอบแก๊สและฝุ่นในช่วงเริ่มต้นการก่อตัวของกระจุกดาว กล่าวคือ ความเปลี่ยนแปลงจากการวิวัฒนาการอันเนื่องมาจากการที่มีองค์ประกอบธาตุหนักอยู่เป็นจำนวนมาก (ธาตุหนักในทางดาราศาสตร์หมายถึงธาตุทุกชนิดที่มีมวลมากกว่าฮีเลียม) ข้อมูลที่ได้จากการศึกษากระจุกดาวทรงกลมนี้ยังนำไปใช้ในการศึกษาวิวัฒนาการของทางช้างเผือกในภาพรวมด้วย[32]

ในกระจุกดาวทรงกลม ยังมีการเฝ้าสังเกตดาวจำพวกหนึ่งเรียกว่า ดาวแปลกพวกสีน้ำเงิน ซึ่งมีวิวัฒนาการอยู่บนแถบลำดับหลักในทิศทางที่จะมีสีน้ำเงินเข้มขึ้นและสว่างมากขึ้น กำเนิดของดาวเหล่านี้ยังคงไม่ชัดแจ้ง แต่แบบจำลองโดยมากเสนอแนะว่าดาวเหล่านี้เป็นผลมาจากการถ่ายเทมวลภายในของระบบดาวหลายดวง

[แก้] รูปร่างลักษณะ
ตรงข้ามกับกระจุกดาวเปิด กระจุกดาวทรงกลมส่วนมากยังคงมีแรงดึงดูดภายในระหว่างกันเอาไว้แม้เวลาจะผ่านไปเนิ่นนานเมื่อเทียบกับอายุของดาว (มีข้อยกเว้นอยู่บ้างเมื่อมีแรงปฏิกิริยาไทดัลกับวัตถุมวลมากอื่นๆ ที่ส่งผลให้ดาวกระจายตัวกันออกไป)

ตราบจนปัจจุบัน ลักษณะการก่อตัวของกระจุกดาวทรงกลมยังคงเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่อาจเข้าใจได้ ยังไม่มีการยืนยันอย่างชัดเจนว่า ดาวฤกษ์ต่างๆ ในกระจุกดาวทรงกลมก่อตัวขึ้นเป็นรุ่นเดียวกันทั้งหมดหรือไม่ หรือมีการก่อตัวจากดาวฤกษ์หลายๆ รุ่นที่รวมตัวกันมาเรื่อยๆ ตลอดช่วงเวลาหลายร้อยล้านปี เชื่อกันว่า ระยะเวลาก่อกำเนิดดาวฤกษ์จะมีความสัมพันธ์กับอายุของกระจุกดาวทรงกลมส่วนใหญ่[33] การเฝ้าสังเกตการณ์กระจุกดาวทรงกลมแสดงให้เห็นว่า การก่อตัวของดาวฤกษ์เหล่านี้เกิดขึ้นในย่านอภิบาลดาวฤกษ์แหล่งเดียวกัน ที่ซึ่งสสารระหว่างดาวมีความหนาแน่นสูงกว่าย่านอภิบาลดาวฤกษ์โดยทั่วไป เป็นไปได้ว่า ย่านกำเนิดกระจุกดาวทรงกลมจะเป็นย่านดาวระเบิด หรือเกิดในดาราจักรอันตรกิริยา[34]

หลังจากกำเนิดแล้ว ดาวฤกษ์ในกระจุกดาวทรงกลมจะเริ่มส่งแรงโน้มถ่วงดึงดูดต่อกันและกัน ผลที่ได้คือความเร็วเชิงเวกเตอร์ของดาวฤกษ์ค่อยๆ เปลี่ยนแปลงไปจนสูญเสียความเร็วดั้งเดิมของมัน ช่วงเวลาที่ทำให้เกิดคุณสมบัตินี้ขึ้นเรียกว่า ช่วงพักตัว (relaxation time) ซึ่งสัมพันธ์กับความยาวช่วงเวลาที่ดาวฤกษ์ใช้ในการข้ามผ่านกระจุกดาว และจำนวนของมวลดาวฤกษ์ที่มีในระบบ[35] ค่าของช่วงพักฟื้นนี้แปรเปลี่ยนไปตามแต่ละกระจุกดาว โดยเฉลี่ยแล้วจะอยู่ที่ประมาณ 109 ปี

แม้กระจุกดาวทรงกลมจะมีรูปร่างปรากฏดูคล้ายทรงกลม แต่ก็อาจมีสภาพคล้ายรูปไข่ได้ขึ้นกับแรงปฏิกิริยาไทดัล กระจุกดาวที่อยู่ในทางช้างเผือกและดาราจักรแอนดรอเมดามักมีสัณฐานค่อนข้างกลม ขณะที่กระจุกดาวในเมฆแมเจลแลนใหญ่จะมีรูปทรงคล้ายไข่มากกว่า[36]

[แก้] รัศมี
นักดาราศาสตร์จำแนกรูปร่างของกระจุกดาวทรงกลมโดยใช้ค่าเฉลี่ยของรัศมีมาตรฐาน ประกอบด้วยรัศมีแกนกลาง (core radius; rc) รัศมีครึ่งแสง (half-light radius; rh) และรัศมีไทดัล (tidal radius; rt) ความส่องสว่างโดยรวมของกระจุกดาวค่อยๆ ลดลงอย่างสม่ำเสมอเมื่อห่างออกจากแกนกลาง รัศมีแกนกลางคือระยะห่างที่ความสว่างปรากฏพื้นผิวลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง ค่าที่เปรียบเทียบคือรัศมีครึ่งแสง หรือระยะห่างจากแกนกลางที่อยู่ภายในช่วงความส่องสว่างครึ่งหนึ่งของกระจุกดาวทั้งหมด ซึ่งส่วนใหญ่ค่าหลังนี้จะใหญ่กว่าค่ารัศมีแกนกลาง

พึงสังเกตว่า รัศมีครึ่งแสงนี้รวมดวงดาวที่อยู่บริเวณขอบนอกของกระจุกดาวซึ่งทอดตัวอยู่ในแนวสายตาเดียวกันด้วย ดังนั้นนักทฤษฎีจึงมักใช้ค่ารัศมีครึ่งมวล (half-mass radius; rm หรือรัศมีจากแกนกลางที่ครอบคลุมมวลครึ่งหนึ่งของมวลกระจุกดาวทั้งหมด ถ้ารัศมีครึ่งมวลมีค่าน้อยกว่าขนาดทั้งหมดมาก แสดงว่ากระจุกดาวมีความหนาแน่นที่แกนกลางสูง ตัวอย่างของกระจุกดาวลักษณะนี้ได้แก่ M3 ซึ่งมีขนาดมองเห็นทั้งหมดราว 18 ลิปดา แต่มีรัศมีครึ่งมวลเพียง 1.12 ลิปดาเท่านั้น[37]

กระจุกดาวทรงกลมส่วนใหญ่มีรัศมีครึ่งแสงน้อยกว่า 10 พาร์เซก มีเพียงบางแห่งที่มีรัศมีค่อนข้างใหญ่ เช่น กระจุกดาว NGC2419 มีรัศมีครึ่งแสง 18 พาร์เซก และกระจุกดาวพาโลมาร์ มีรัศมีครึ่งแสง 25 พาร์เซก เป็นต้น[9]

ส่วนรัศมีไทดัลคือระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของกระจุกดาวที่ซึ่งแรงโน้มถ่วงภายนอกจากดาราจักรส่งอิทธิพลต่อดาวฤกษ์มากกว่าแรงโน้มถ่วงภายใน เป็นจุดที่ดาวฤกษ์เดี่ยวในกระจุกดาวอาจจะถูกแยกตัวออกไปโดยดาราจักรได้ รัศมีไทดัลของกระจุกดาว M3 มีค่าประมาณ 38 ลิปดา