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Astro chapter 6

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Astronomy 1021
Stacey Hallman

Chapter 6: The Family of Stars – Lecture You should know: • How to measure stellar luminosities, temperatures, and masses • Reproduce (in order), describe and explain the spectral classification of stars • How to explain the relation between stellar masses and lifetimes • How to explain how you might measure the age of star clusters • How to understand star surveys and the distribution of stars • How to explain how energy is produced in the Sun’s interior • How to describe how nuclear fusion works, and why it results in energy  production The Stellar Snapshot • Measuring two quantities is enough to observe the Milky Way o Luminosity: the total energy of the stars o “Surface” temperature of the stars Brighter stars are closer to us? True/False Luminosities • The total energy (power) output is called the luminosity (L) • We can express energy output in comparison to the sun’s energy output using the  unit solar luminosity (L sun) • Two stars that have the same luminosity have the same total energy output and  thus are producing the same amount of energy Brightness • More energy output means intrinsically brighter stars • Can measure the apparent brightness or magnitude of stars • On first sight, just measure how bright the stars appear (stellar luminosities)  • The further away a star is, the fainter it looks 10 • The fuAstro 1021 Chapter 6: The Family of Starst brightness follows an inverse  square law  o If you double the distance, the brightness will decrease by a factor of 4 o If you increase the distance by a factor of 10, the brightness will decrease  by a factor of 100 o So a brighter star might have a higher luminosity, but it might just be  The Astronomer’s Triangulation Metcloser • If we measure the apparent brightness of a star, and we know the distance, we can  calculate its total luminosity (energy production) • To find the distanceThe Astronomer’s Triangulation Method usse a verry onng baas•liTo find the distance to a star, astronomers use a very long baseline: the diameter  Earth’s orbit of Earth’s orbit • Take photos od the star 6 months apart • Taake pphotoss of hee o The angular distance the star has moved gives the parallax (and distance) star 6 months appart:thee anguular distance the star haas mooveed givees the parallax (and the distannce)). • 15 Astro 1Stellar Parallaxhe Family of Stars • Nearest star (alpha Centauri) has a parallax of 0.76 arc seconds • The best measurements from Earth’s surface can measure a parallax of 0.006 arc  seconds, or a maximum distance of 550 light years • Parallax gives a new unit of distance: the parsec o A star 1 parasec from us has a parallax of 1 arc second  1 parasec = 3.26 light years Stellar Luminosities • Many nearby stars are really dim • While more distance stars appear much brighter • Stellar luminosities span a wide range • Intrinsically dimmest stars: luminosity of about 1/10,000 Lsun • Intrinsically brightest stars: luminosity of about 1 million Lsun • Our sun’s output is average • And the intrinsically brightest stars have an energy output that is 10 billion times  higher than the dimmest stars Absolute Magnitude • Astronomers compare the brightness of stars using absolute magnitude • The absolute magnitude of a star is the brightness it would have at a distance of  33 ly • The absolute magnitude of the Sun is 4.8 • The absolute magnitude only includes visible radiation, so the luminosity tells  astronomers more about the star Stellar Temperatures • When talking about stellar temperatures, we mean temperatures of the stellar  “surface” or photosphere The Sun’s photospheric or surface temperature is about…? We can accurately determine temperatures of stars even if we don’t know the  distance? True or false? Measuring Temperatures • Light emitted by the Sun comes from a layer that has a temperature of about 5800  K • This light is thermal radiation  o i.e. characterized by the photospheric temperature TherAstro 1021 Chapter 6: The Family of Stars • Stellar Temperatures  • We can determine stellar temperatures by measuring the brightness of stars at  different wavelengths (colours) and thus the shape of the thermal radiation  spectrum o Ex hotter star will emit more blue light • Reddish stars are cooler than blueish stars Stellar Spectral Types • Using spectroscopy, we can measure surface temperatures more accurately  • Gas layers above the photosphere, are composed of a slightly cooler gas • Different chemical elements in the photosphere will absorb light at very different  wavelengths, resulting in a absorption spectrum • Hot stars will have highly ionized elements in their upper layers, which you can  see in the spectra • If you see molecules, you are looking at a cool star • If you see highly ionized elements, you are looking at a hot star • Since different temperatures will result in different elements being ionized to  different degrees, stellar spectra can be classified according to key spectral lines o By studying spectral lines you can determine their temperature  Spectral Classification of Stars Different types of stars show different temperatures and different characteristic sets of absorption lines. t e e T Molecules = cool • Astro 1021 Chapter 6: The Family of Stars Spectral History  • First classification of stellar spectra was based on the strength of the hydrogen  lines • Type A stars had the strongest hydrogen lines • Type B stars slightly weaker hydrogen lines • Type O stars having the weakest hydrogen lines o It was alphabetical  • Annie Cannon: realized that o Spectra fell into a natural order (not alphabetical) o Some classes overlapped and could be eliminated o Within each class, gradual change toward adjacent classes o RESULLT: the spectral Sequence (OBAFGKM) Spectral Type & Temperature • Now we know that the stars have different temperatures and therefore different  elements are at various stages of ionization o If we know the spectral type, we know the temperature Spectral Line • Stars 6000 K and cooler (including the Sun) have weak hydrogen Balmer lines  because the hydrogen atoms aren’t excited • Stars hotter than 20,000 K also have weak lines, because hydrogen is ionized Spectral lines • Stars60000 K and cooler(nccuding the Sun) have weak hydrogen Balmer lines, because the hydrogen atoms aren’t excited. • Stars hotter than 20,000 K also have weak lines, because ydrogen is ionized. 33 • Astro 1021 Chapter 6: The Family of Stars • Can be remembered by Oh Be A Fine Guy, Kiss Me Spectral Subtypes • The main spectral classes are divided into 10 subgroups by using a number from 0  (hottest) to 9 (coolest) • So a B9 star is slightly hotter than an A0 star which is hotter than an A5 star • Temperatures typically range from about 3,000 K for M stars to about 40,000 K  for O stars Stellar Masses • Gravity is the key to measuring the masses of stars • If a pair of stars are orbiting each other, their motion can be used to determine  their masses • Binary stars are surprisingly common, but are not all useful o Some are too far apart: motion takes too long o Some are too close together: can’t be distinguished  • Two objects orbit their center of mass • The more massive object is closer to the center of mass, and has a smaller orbit • The ratio of the orbit sizes gives the ratio of the masses • The total
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