Yıldızların nüfus tablosu nasıl okunur?

Kanca

Bir sınıftaki bütün öğrencilerin boylarını ve kilolarını ölçüp her birini bir grafiğe nokta olarak koyduğunu düşün. Noktalar rastgele dağılmaz; çoğu, uzun olanların daha ağır olduğu bir şerit boyunca dizilir. Şeridin dışında kalan birkaç nokta ise hemen dikkat çeker ve her birinin bir hikâyesi vardır.

Yirminci yüzyılın başında iki gökbilimci, yıldızlarla aynı şeyi yaptı. Yıldızların parlaklıklarını ve sıcaklıklarını tek bir grafiğe koydular. Ortaya çıkan desen, gökbilimin en güçlü araçlarından biri oldu. Tek bir grafik, yıldızların bütün hayatını anlatıyor.

Merkezi soru

Hertzsprung-Russell diyagramı nedir, üzerinde yıldızlar neden belirli bölgelerde toplanır ve bu desen bize yıldızların kütlesi, büyüklüğü ve hayat evreleri hakkında ne söyler?

Anlatım

İki eksen, bir desen

1911'de Danimarkalı gökbilimci Ejnar Hertzsprung (okunuşu "Aynar Hertsprung") ve 1913'te Amerikalı gökbilimci Henry Norris Russell (okunuşu "Henri Noris Rasıl"), birbirinden habersiz aynı fikri uyguladı. Yıldızları iki özelliklerine göre bir grafiğe yerleştirdiler: yüzey sıcaklıkları ve gerçek parlaklıkları. Bugün bu grafiğe onların adıyla Hertzsprung-Russell diyagramı, kısaca H-R diyagramı denir.

Grafiğin yatay ekseninde yüzey sıcaklığı vardır; Ders 6.3'ün renk merdiveni burada bir eksene dönüşür. Bir gelenek olarak sıcak yıldızlar sola, soğuk yıldızlar sağa konur; yani sol taraf mavi, sağ taraf kırmızı yıldızlarla doludur. Dikey eksende yıldızın gerçek parlaklığı, yani saniyede saçtığı toplam enerji vardır; yukarı çıktıkça yıldızlar parlaklaşır.

Burada önemli olan, yıldızın bize nasıl göründüğü değil, gerçekte ne kadar ışık saçtığıdır. Uzaktaki güçlü bir yıldız sönük, yakındaki zayıf bir yıldız parlak görünebilir. Bu yüzden diyagrama yalnızca uzaklığı bilinen yıldızlar yerleştirilebilir; uzaklık bilinince görünen parlaklıktan gerçek parlaklık hesaplanır.

Ana dizi

Yıldızlar diyagramda rastgele dağılmaz. Büyük çoğunluğu, sol üst köşeden sağ alt köşeye uzanan eğik bir şerit boyunca dizilir. Bu şeride ana dizi (main sequence) denir. Yakınımızdaki gerçek yıldızların yaklaşık yüzde doksanı ana dizidedir. Güneş de oradadır, şeridin ortalarında.

Ana dizi, aslında bir kütle dizisidir. Şeridin sol üst ucunda, Güneş'ten on kat ve daha fazla kütleli, sıcak, mavi ve çok parlak yıldızlar bulunur. Kırk Güneş kütlesindeki bir yıldız Güneş'ten yüz binlerce kat parlaktır. Sağ alt uçta ise Güneş'in yarısından hafif, soğuk, kırmızı ve sönük kırmızı cüceler yer alır. Güneş'in kütlesinin yarısından biraz az bir kırmızı cüce, Güneş'in yirmide biri kadar ışık saçar. Bir yıldızın ana dizideki yeri, esas olarak kütlesine bağlıdır.

Ana dizideki bütün yıldızlar, Ders 9.2'de gördüğümüz dengeyle yaşar: merkezlerinde hidrojeni helyuma dönüştürür ve kütleçekimi ile basınç arasındaki dengeyi korurlar. Bir yıldız, hayatının yaklaşık yüzde doksanını bu evrede geçirir. Yıldızların çoğunu ana dizide görmemizin sebebi de budur.

Devler ve cüceler

Ana dizinin dışında da yıldızlar vardır. Diyagramın sağ üst köşesinde soğuk ama çok parlak yıldızlar bulunur. Soğuk bir yüzeyin her metrekaresi az ışık saçtığına göre, bu yıldızların bu kadar parlak olabilmesi için yüzeyleri devasa olmalıdır. Bunlar dev ve süper dev yıldızlardır. Avcı takımyıldızındaki Betelgeuse, böyle kırmızı bir süper devdir.

Sol alt köşede ise tersi vardır: çok sıcak ama çok sönük yıldızlar. Yüzeylerinin her metrekaresi çok parlak olduğu hâlde toplamda sönük kaldıklarına göre, bu yıldızlar çok küçük olmalıdır. Bunlar beyaz cücelerdir; çoğu Dünya büyüklüğündedir ama kütleleri Güneş'inkine yakındır. En bilineni, gökyüzünün en parlak yıldızı Sirius'un yanındaki sönük eşi Sirius B'dir; 1862'de fark edildi.

Böylece diyagram, yıldızların boyutlarını da gösterir. Aynı sıcaklıktaki iki yıldızdan daha parlak olanı daha büyüktür. Sağ üste gittikçe yıldızlar şişer, sol alta gittikçe küçülür.

Kütle kaderi belirler

H-R diyagramının en önemli dersi, yıldızın kütlesinin onun hayatını belirlemesidir. Büyük kütleli yıldızlar çok daha fazla yakıta sahiptir, ama o yakıtı akıl almayacak bir hızla yakar. Kırk Güneş kütlesindeki bir yıldız ana dizide yalnızca bir milyon yıl kadar kalır. Güneş gibi bir yıldız yaklaşık on milyar yıl yaşar. Güneş'in kütlesinin yarısından az bir kırmızı cüce ise yüz milyarlarca yıl yaşayabilir.

Evren yaklaşık on dört milyar yaşında olduğuna göre, bu küçük kırmızı cücelerin hiçbiri henüz ömrünü tamamlamadı. Büyük kütleli mavi yıldızlar ise evrenin tarihinde defalarca doğup öldü. Galaksilerdeki parlak mavi yıldızlar, bu yüzden yıldız doğumunun hâlâ sürdüğü yerleri gösterir.

Hayatın haritası

Diyagram, yıldızların hayat evrelerinin bir haritasıdır. Bir yıldız ana dizide doğar ve hayatının büyük bölümünü orada geçirir. Merkezindeki hidrojen tükenmeye başlayınca ana diziden ayrılır ve devler bölgesine doğru ilerler. Güneş gibi yıldızlar sonunda beyaz cüce olarak sol alt köşeye iner. Diyagramdaki her bölge, yıldız hayatının başka bir sayfasıdır.

Bir yıldız kümesindeki bütün yıldızlar aynı anda doğduğu için, kümenin H-R diyagramı bir saat gibi kullanılabilir. Büyük kütleli yıldızlar ana diziden önce ayrıldığından, şeridin sol üst ucunun nerede "koptuğuna" bakarak kümenin yaşı tahmin edilebilir.

Aslında…

Bir başka yanılgı da parlak görünen her yıldızın gerçekten güçlü olduğunu sanmaktır. H-R diyagramına yıldızın görünen parlaklığı değil, uzaklığına göre düzeltilmiş gerçek parlaklığı konur.

Büyük resim

H-R diyagramı, gökbilimin periyodik tablosu gibidir. Rastgele görünen milyarlarca yıldızı düzenli bir tabloya yerleştirir ve aralarındaki ilişkileri gösterir. Bir yıldızın sıcaklığını ve parlaklığını ölçmek, onun kütlesini, büyüklüğünü, yaşam evresini ve geleceğini tahmin etmeye yeter.

Bu diyagram, yıldızların durağan olmadığını da ortaya koydu. Gökyüzüne bir kez bakınca her yıldız sabit görünür; ama diyagram, her birinin doğup yaşlanan ve ölen bir yolculuğun farklı bir noktasında olduğunu gösterir. Bu modülün sonraki derslerinde, Güneş'in ve daha büyük yıldızların bu yolculuğun sonunda nereye varacağını izleyeceğiz.

Özet

1. H-R diyagramı, yıldızların yüzey sıcaklıklarını yatay eksende, sıcaklar solda olmak üzere, gerçek parlaklıklarını dikey eksende gösterir; 1911'de Hertzsprung ve 1913'te Russell birbirinden bağımsız olarak geliştirdi.
2. Yıldızların yaklaşık yüzde doksanı, sol üstten sağ alta uzanan ana dizidedir; ana dizi bir kütle dizisidir ve yıldızlar hayatlarının yaklaşık yüzde doksanını burada geçirir. Sağ üstte devler ve süper devler, sol altta beyaz cüceler bulunur.
3. Kütle, yıldızın kaderini belirler: kırk Güneş kütlesindeki bir yıldız bir milyon yıl kadar, Güneş on milyar yıl, küçük kırmızı cüceler yüz milyarlarca yıl yaşar.

Görev

Quiz

1. H-R diyagramının yatay ve dikey eksenleri neyi gösterir?
2. Ana dizi nedir ve yıldızların ne kadarı ana dizidedir?
3. Diyagramın sağ üst köşesindeki yıldızlar neden çok büyük olmalıdır?
4. Beyaz cüceler diyagramın neresinde bulunur ve neden?
5. Büyük kütleli yıldızlar neden küçük kütlelilerden daha kısa yaşar?

Cevaplar

1. Yatay eksen yüzey sıcaklığını, sıcak yıldızlar solda olmak üzere; dikey eksen yıldızın gerçek parlaklığını gösterir.
2. Sol üstten sağ alta uzanan, hidrojenini helyuma dönüştüren yıldızların oluşturduğu şerittir; yakınımızdaki gerçek yıldızların yaklaşık yüzde doksanı buradadır.
3. Çünkü soğuk bir yüzeyin her metrekaresi az ışık saçar; bu yıldızlar yine de çok parlak olduğuna göre yüzeyleri, dolayısıyla boyutları, devasa olmalıdır.
4. Sol alt köşede; çok sıcak ama toplamda çok sönük oldukları için yüzeyleri, dolayısıyla boyutları çok küçüktür.
5. Çünkü yakıtları daha fazla olsa da onu çok daha hızlı yakarlar; yakıt tüketim hızı, yakıt miktarından çok daha hızlı artar.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

H-R diyagramı, Güneş'in de bir gün ana diziden ayrılacağını söylüyor. Merkezindeki hidrojen tükenmeye başladığında Güneş şişerek dev bir yıldıza dönüşecek. Ne kadar büyüyecek, Merkür'ü, Venüs'ü, hatta Dünya'yı yutacak mı ve sonunda geriye ne kalacak?