STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

宇宙多大了?

难度 <! - 5 - >
所需时间 非常短(≤1天)
先决条件 计算机技能,包括基本电子表格技能(如Microsoft®Excel®)
材料可用性 一应俱全
费用 非常低(低于20美元)
安全 没有问题

摘要

要知道没有人知道宇宙的确切年龄,你会感到惊讶吗?天文学家有估计,随着他们收集越来越精确的数据和测量结果,他们继续完善这些估算值,以得出更准确的估算值。在这个项目中,您可以查看关于称为球状星团的密集组中的恒星的数据,并提出您自己对宇宙最小年龄的估计。您的估计与其他天文学家的估计有多接近?

目的

使用有关球状星团中发现的恒星的信息来确定星团的年龄,进而估计宇宙的最小年龄。

积分

Theron Carmichael,U.C。圣克鲁斯
Aaron Romanowsky博士,圣何塞州立大学
Jean Brodie,博士,U.C。圣克鲁斯

Sandra Slutz博士,科学伙伴编辑

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

Carmichael,Theron,Aaron Romanowsky和Jean Brodie。”宇宙多大了?” 科学伙伴,2017年7月28日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Astro_p042/astronomy/how-old-is-the-universe。2019年7月6日访问。

APA风格

Carmichael,T.,Romanowsky,A。,&amp;布罗迪,J。(2017年7月28日)。宇宙多大了?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Astro_p042/astronomy/how-old-is-the-universe


最后编辑日期:2017-07-28

简介

如果你想知道某人的年龄,你可能只是问他们。但如果他们不能或不会告诉你呢?您可能会想出几种不同的方法来估计他们的年龄。例如,您可以使用同学的平均年龄作为估计。或者,如果你知道他们有一个10岁的弟弟和一个13岁的姐姐,你可以得出结论,他们的年龄在10到13岁之间。同样,天文学家可以使用多种方法来估计宇宙的年龄。

计算宇宙最小年龄的一种方法是计算宇宙中一些最古老恒星的年龄。要了解此方法的优点,您需要了解有关宇宙历史的信息。数据显示,宇宙诞生时发生了一个名为 Big Bang 的事件;在一瞬间,构成宇宙的所有热量,物质和能量都爆发出来。从那时起,宇宙不断发展 – 气温已经冷却,一些物质重新分布并形成恒星,行星和其他天体。这意味着即使是最古老的恒星也是在之后形成的。所以,如果你弄清楚最古老的恒星的年龄,你就知道宇宙的最小年龄。就像你知道的那样,从上面的例子可以看出,这个人的年龄至少是10岁,因为他们的弟弟已经10岁了。

天文学家发现,一些最古老的恒星经常在球状星团中发现.球状星团是紧密束缚的恒星群。事实上,正如您在图1中看到的M80球状星团所看到的那样,在一个地方有如此多的恒星,在群集的中心,很难将一颗星与另一颗星区分开来!球状星团内的恒星都大致相同,因为它们都是从同一个气体云中同时发育的。这类似于一窝小狗 – 因为它们都是从同一个母亲同时发育的,它们的年龄基本相同。但就像一窝中的小狗在外观和行为方面可能彼此非常不同,球状星团中的恒星也是如此。实际上,球状星团可以有许多不同类型的恒星。要了解有关恒星类型的更多信息,首先需要了解一下星星的演变。

哈勃太空望远镜拍摄的M80球状星团图片
图1。 M80球状星团由超过五十万颗恒星组成.(图片由NASA提供)

所有恒星都以相同的进化路径开始:它们来自恒星气体云,花费数十亿年作为主序恒星,燃烧燃料并发光,然后,因为它们他们会变成红巨星或红巨星。如图2所示,它们来自红巨星或超巨星的死亡序列可以以几种不同的形式结束,包括白矮星,中子星或黑洞。在这个天文学项目中,你将主要关注一颗恒星作为主序星的时间。这是恒星生命中燃烧时的大部分时间。主序星的特征还在于它们的质量(大小),温度,亮度(亮度),颜色和其他特征。这些特征用于将恒星分成七个光谱(星)分类,如表1所示。一般来说,恒星越大,它燃烧的燃料就越快。这意味着它”关闭” 主序列并且更快地成为红巨星或超巨星。在表1中,这称为熄火年龄。例如,一个O级恒星将在不到4000万年后关闭主序列,而较小的G级恒星,如我们的太阳,寿命更长,并且在主序列中保持至少93亿年,并且,取决于明星的确切特征,高达156亿年。一般来说,较大的恒星燃烧得更亮,更热,看起来更蓝,寿命更短,而较小的恒星燃烧时间较长,温度较低,发出较少的光,看起来更红。

图表显示了恒星在衰老和最终死亡时如何演变。
图2。此图显示了恒星如何从星云,恒星,然后是红巨星或超巨星在它们作为星云或超新星的死亡序列之前演化.(图片由NASA/CXC/SAO提供)


R颜色

光谱分类 表观颜色 亮度* 温度** 关闭年龄
O Blue -1.0到-0.5 &gt; 30000 &GT; 30000 &LT; 4000万年
B 浅蓝色 -0.5到-0.3 25,000-30,000 10,000-30,000 4000万-23亿年
A 白色 -0.2到0.2 5-25 7,500-10,000 2.3-5.1亿年
F 淡黄色 0.2到0.3 1.5-5 6,000-7,500 5.1-9.3亿年
G 黄色 0.3到0.6 0.6-1.5 5,200-6,000 9.3-15.6亿年
K 橙色 0.6到1.4 0.08-0.6 3,700-5,200 15.6-494亿年‡
M 红色 1.4到2.0 &lt; 0.08 2,400-3,700 &gt; 494亿年‡
表1。七种光谱类别中恒星的特征。
*比太阳亮的次数**以开氏度(=摄氏度+ 273)为单位‡质量最低的红色恒星将在主序列上的持续时间超过当前的宇宙年龄。

要弄清楚球状星团的年龄,您可以查看星团中的星星,找出当前离开主序列的恒星类。如果B级恒星目前正在离开,那么从表1可以看出,球状星团的年龄在4000万到23亿年之间;如果F级恒星离开主序列,你知道球状星团的年龄在51到93亿之间。要识别当前离开主序列的恒星类,首先要为球状星团创建 Hertzsprung-Russell图或H-R图。通过绘制一组恒星的亮度(也称为发光度)与其颜色的关系来创建H-R图。图3显示了H-R图的示例.H-R图上的斜条是发现主序星的位置。查看H-R图上的主序列,您可以看到关闭点,在图3中以绿色突出显示,其中恒星关闭主序列并过渡到红巨星或超巨星。在岔道点处的恒星的亮度和G-R颜色可以让您确定恒星的等级。一个重要的注意事项是,如果一个球状星团非常年轻,那么星星可能还没有时间离开主序列!这将导致模糊或完全缺失的岔点。

理想化的Hertzsprung-Russell图表显示恒星演化和不同的岔点星级。
图3. H-R图的示例。请注意,岔点已标有绿色曲线.(图片改编自欧洲南方天文台图。)

在这个科学项目中,您将为几个球状星团创建H-R图,确定它们的岔点,并使用该信息来估计每个球状星团的年龄。你认为集群会有相似或不同的年龄吗?样本中最老的球状星团的年龄是多少?这表明了宇宙的最小年龄?这与其他天文学家对宇宙年龄的估计相比如何?

术语和概念

  • 大爆炸理论
  • 球状星团
  • 主序列
  • Hertzsprung-Russell图(也称为H-R图)
  • 关闭点
  • 正确的提升
  • 赤纬

问题

  • 球状星团中的恒星是否有相似或不同的年龄?
  • 星星何时离开主序列?
  • 使用哪些特征将星号分配给光谱类?
  • 天文学家用什么方法来估计宇宙的年龄?天文学家认为宇宙的年龄是多少?

参考书目


材料和设备

  • 可上网的电脑
  • 电子表格程序,如Microsoft Excel
  • 实验室笔记本

实验程序

为了帮助您入门,表2包含几个球状星团。您将使用这些球状星团来创建自己的H-R图表,并在每个聚类的岔点处识别星星类别。反过来,这将告诉您星团中恒星的年龄范围。

收集球状星团数据

  1. 从表2中选择一个星团,并记下它的天体坐标。

星团名称 Ra(以度为单位) Dec(以度为单位)
NGC 2401 112.35168 -13.96623
NGC 2420 114.59958 21.57409
Pal 5 229.02208 -0.11139
表2。三个星团的列表及其各自的右上升(Ra)和下降(Dec),以度为单位。有关这些术语的详细信息,请参阅技术说明#1。

技术说明#1:

球状星团位于天空中的方式是使用天体坐标系,使用右提升赤纬。这两种坐标类型类似于地球上的经度和纬度。

  1. 使用互联网访问Sloan Digital Sky Survey图像查找工具
  2. 如图4所示,在蓝色圈出的区域输入右上升和下降,然后单击蓝色的”获取图像” 按钮,用红色圈出。然后选中”网格” 和”标签” 框,勾选为绿色圆圈。您可能还需要放大或缩小以更好地查看球状星团;此功能也在红圈内。
屏幕截图显示了如何使用Sloan Digital Sky Survey图像查找工具。
图4. 在Sloan Digital Sky Survey图像查找工具的截图中,您需要调整以找到球状星团的字段以蓝色,红色和绿色圈出。

  1. 使用图像左上角的长度比例,估算球状星团的弧分数(参见技术说明#2)。尺寸可能在1.5’到3.0’的范围内。记下群集在arcminutes中的大小,并获取群集的屏幕截图(使用键盘上的打印屏幕),图像缩放到尽可能接近群集的大小.
技术说明#2:

就像太阳系或星系的大小一样,球状星团也有一个大小。这记录在名为 arcminutes arcseconds 的单位中.1弧分钟有60弧秒,球状星团看起来在天空中越大,它上面的弧分数越多。弧形符号用撇号(’)表示,弧度用秒数用引号(”)表示。用肉眼可以看到的物体中,太阳的大小约为31’,月亮约为30’,木星大概是40’。

  1. 现在使用互联网访问Sloan Digital Sky Survey径向工具。您将使用此工具下载包含有关球状星团数据的CSV文件(电子表格文件)。如图5所示,将刚刚估计的球状星团的大小输入到以蓝色圈出的区域。将行数更改为”所有行” ,如绿色圆圈所示。最后,将”格式” 更改为”CSV” ,如红色圆圈所示,然后单击绿色圆圈内的”提交” 按钮下载文件。
如何使用Sloan Digital Sky Survey径向搜索工具的屏幕截图。
图5. 在Sloan Digital Sky Survey径向工具的屏幕截图中,您需要调整以下载球状星团数据的字段以蓝色,红色和绿色圈出。

制作H-R图

重要说明:此处给出的说明假设您使用的是Microsoft Excel版本2010.可以使用其他版本的Microsoft Excel以及其他电子表格程序,但您必须进行调整你的行为。

  1. 在Microsoft Excel中打开CSV文件。每行都有关于集群中不同星的信息;每列包含有关该星的不同类型的信息。对于此项目,您将需要使用所有可用的星(行),但只使用每个星的一些数据(列)。该项目的重要数据是球状星团中每颗恒星的颜色大小值。这些颜色在标有 u,g,r,i, z 的列中给出。向下滚动到文件的底部并记下最后一行的编号.
  2. 在电子表格中创建一个新列,您将在其中填写每颗星的颜色。通过从g值中减去星形的r值来计算颜色(g-r =星形颜色)。如果您不知道如何执行此操作,请在Excel的”帮助” 功能中查找,或者询问熟悉Excel的人员。计算每颗星的颜色后,保存文件并继续下一步。
  3. 在这里,您将使用Microsoft Excel中的绘图功能构建H-R图。
    1. 突出显示任意两个相邻列。在顶部栏上,单击”插入” ,然后单击”散点” 以获取散点图,并选择”仅使用标记散布” 以创建仅包含点的图。现在,您需要将所需数据添加到绘图中。请记住,H-R图表在y轴上具有星形亮度(g),在x轴上具有星形颜色(g-r)。
    2. 右键单击绘图区域,然后单击”选择数据” 。单击”添加” 按钮,然后单击”X系列值” 右侧的小图表按钮并突出显示整个颜色(g-r)列,然后再次单击小图表按钮。接下来,单击”Y系列值” 右侧的小图表按钮,突出显示整个亮度(g)列,然后再次单击小图表按钮。您刚刚为x轴指定了星形颜色,为y轴指定了恒星亮度.
  4. 现在您将更改x和y轴以完成H-R图。双击y轴上的数字以显示”格式轴” 框。在”轴选项” 下,更改”最小值” 和”最大值” 以获得对数据点的有用缩放。避免让x和y轴变为负数。选中”反向排列的值” 框。双击x轴上的数字并在那里调整缩放。您还可以通过单击更改轴名称和图表标题.y轴应标记为”星光度(g)” ,x轴应标记为”星形颜色(g-r)” 。
  5. 你能在H-R图上找到岔点吗?如果点数太少,请返回径向搜索工具网站并增加arcminutes数。如果点太多,并且绘图看起来很乱,请减少径向搜索工具中的弧分数。

将您的岔点与星级分类相匹配

  1. 确定H-R图上岔点的位置后,确定岔点的星光度(y轴)和星色(x轴)值。将它们记录在实验室笔记本的数据表中。
  2. 请参阅简介中的表1 。哪一类恒星的亮度和颜色范围与岔点处的恒星相匹配?在数据表中记录星级和关闭年龄范围。球状星团的年龄相当于迂回年龄范围.
  3. 重复其他两个球状星团的所有步骤,并比较所有三个星团的年龄。根据你的样本,球状星团都有相似的年龄?最老的集群的最低年龄是多少?样本中最早的簇的最大年龄是多少?
  4. 根据您的球状星团样本,宇宙的最小年龄是多少?这个年龄与天文学家对宇宙年龄的其他估计相比如何?

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变体形式

  • 使用其他球状星团尝试此项目。您可以在本文中找到星团的列表。附加数据如何改变您对宇宙最小年龄的估计?数据是否告诉您何时形成大多数球状星团?
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