קבוצות וצבירים של כוכבים לא רק מלמדים אותנו איך כוכבים נוצרים – הם גם כלים שימושיים למדידת המרחקים לכוכבים שבהם ולמדידת הגיל שלהם. כך אנחנו מקבלים רמזים חשובים לתולדות גלקסיית שביל החלב. קשה למדוד את הגיל של כוכב בודד. רק לכוכב אחד יש לאסטרונומים הערכת גיל ישירה – השמש. הגיל של השמש, 4.6 מיליארד שנה, מבוסס על תיארוך רדיואקטיבי של המטאוריטים הקדומים ביותר ושל סלעים מהירח ומכדור הארץ, ועל הידיעה שהשמש והפלנטות נוצרו מאותו ענן גז קורס. הגיל הזה מתאים לגיל שמחשבים מקצב ההפיכה של מימן להליום בליבת השמש. הגילים של כוכבים בודדים אחרים ודאיים הרבה פחות, כי הם תלויים לגמרי במודלים של כוכבים.
באדיבות NASA
אסטרונומים יכולים למדוד את הגיל של קבוצות כוכבים בעזרת דיאגרמת H-R. זו עבודה פשוטה יחסית אבל ארוכה: צריך למדוד את הבהירות הנראית ואת טמפרטורת פני השטח של מאות כוכבים. המפתח לשיטה הוא ההנחה שהכוכבים בצביר נמצאים באותו מרחק ונוצרו באותו זמן. אם המרחק לצביר ידוע, אפשר להמיר את הבהירות הנראית של כל כוכב לנגיהות. אסטרונומים שרטטו את דיאגרמות H-R של צבירים רבים. כוכבי הסדרה הראשית המסיביים ביותר (ובעלי הנגיהות הגבוהה ביותר) בצביר מכלים את המימן שלהם ראשונים. אז התכונות שלהם משתנות, והם נודדים בדיאגרמת H-R למקום רחוק מהסדרה הראשית. עם הזמן, כוכבים פחות ופחות מסיביים מכלים את המימן שלהם, ולכן הנגיהות שבה כוכב "פונה" מהסדרה הראשית משתנה עם הזמן. נקודת הפנייה (turn-off point) הזו היא שעון שמאפשר למדוד את הגיל של קבוצת כוכבים.
אסטרונומים יכולים לצרף נתונים על כמה צבירים: את דיאגרמות H-R שלהם מניחים זו על זו בתרשים אחד, וכל סדרה בתרשים מייצגת למעשה את המדידות המשולבות של מאות כוכבים חיוורים. לאורך הסדרה הראשית מסמנים את הגיל שבו כוכבים בנגיהויות שונות פונים ממנה. לחלק מהצבירים, כמו NGC 2362, גיל של כמה מיליוני שנים בלבד (כ-4 עד 5 מיליון). הצבירים האלה צעירים כל כך, שמעט כוכבים בהם כבר עזבו את הסדרה הראשית. מדהים לחשוב שגילו של צביר כזה הוא כאלפית מגיל השמש, ושהוא נולד בתקופה שבה האבות הקדומים של האדם כבר חיו באפריקה.
באדיבות NASA
במונחים קוסמיים, הצבירים הפתוחים צעירים. מחצית מהגילים שחושבו לצבירים פתוחים הם פחות מ-100 מיליון שנה, ומערכת השמש מבוגרת מזה כמעט פי 50. התוצאות האלה מאשרות שהיווצרות כוכבים נמשכת עד היום. צבירים פתוחים רבים קשורים לערפיליות צפופות, שבהן נוצרים כוכבים ממש עכשיו מענני גז קורסים. הכוכבים הבהירים ביותר בהם הם כוכבים חמים וכחולים מסוג O ו-B, שנוצרו לאחרונה, שורפים את הדלק שלהם מהר ואינם יכולים להתקיים זמן רב. יש שתי קבוצות קרובות שבהן הכוכבים הקלים ביותר עוד לא הגיעו בכלל לסדרה הראשית: אגודת הטרפז ו-NGC 2264. הגיל שלהן כמיליון שנה וכשלושה מיליון שנה, בהתאמה. בצבירים מבוגרים מעט יותר, חלק מהכוכבים המסיביים יותר כבר התפתחו לענקים אדומים, ומוסיפים ניגוד צבעוני.
גם התנועות של הכוכבים בצביר יכולות להעיד על גילו הצעיר. המהירויות של כוכבי הצביר, שנמדדות לפי היסט דופלר, מראות שחלק מהצבירים מתפשטים, מאבדים כוכבים, או שניהם. למהירים ביותר שבכוכבים יש מהירויות גבוהות ממהירות המילוט מהצביר שלהם. לכן הצבירים האלה מתפרקים לנגד עינינו, ויתפזרו בתוך כמה מאות מיליוני שנים. כמה מנגנונים פועלים יחד לפירוק הצבירים הפתוחים. רוחות כוכביות וסופרנובות מפזרות את הגז שבצביר, וכך מחלישות את האחיזה הכבידתית שלו בכוכבים. צביר ענבר (ההיאדות), למשל, יציב היום בקושי, והחלקים החיצוניים של כימה (הפליאדות) כבר מתפזרים (אף שהקבוצה המרכזית, הצפופה יותר, אולי יציבה).
כמו הצבירים הפתוחים, גם אגודות הכוכבים צעירות. בגלל המבנה הרופף שלהן, הן עשויות להתפרק אפילו מהר יותר מצבירים פתוחים רגילים. רוב האגודות אינן יכולות להתקיים יותר מכמה עשרות מיליוני שנים, בגלל כוחות הגאות המפרקים ובגלל הנטייה של הכוכבים שלהן לנוע כל אחד במסלול משלו סביב מרכז הגלקסיה. בהרבה אגודות יש כמויות גדולות של גז מימן ניטרלי, ולפעמים מסתו גדולה ממסת הכוכבים. המימן עשוי להיות שארית מהיווצרות הכוכבים שבאגודה, או חומר שנפלט מהכוכבים שמתפתחים הכי מהר. לעיתים קרובות הרוחות הכוכביות והסופרנובות מוציאות את הגז הזה מהאגודה.
צבירים פתוחים ואגודות הם ברובם צעירים, אבל אסטרונומים מצאו שצבירים כדוריים רבים זקנים במיוחד. היווצרות הכוכבים בהם פסקה, וכל הגז והאבק התפזרו מזמן. בצבירים הכדוריים של הגלקסיה שלנו, הכוכבים מסוג O, B ו-A כבר עזבו את הסדרה הראשית ונעשו לענקים אדומים, והכוכבים היחידים שנשארו בסדרה הראשית הם חיוורים ואדמדמים. לכן לרוב הכוכבים הבהירים כמעט בכל הצבירים הכדוריים יש גוון אדמדם.
אבל במשך עשרות שנים הייתה בעיה ברעיון שכל הכוכבים בצביר כדורי נוצרו יחד. רוב הכוכבים התיישבו יפה על מסלול גיל אחד בדיאגרמת H-R, כמצופה, אבל בכמה צבירים היו כוכבים שנקראים "נגררים כחולים" (blue stragglers), שישבו – באופן לא נוח – מעל נקודת הפנייה של הסדרה הראשית, כאילו הם צעירים משאר הצביר. ב-1997 עזר טלסקופ החלל האבל לפתור את התעלומה: הוא צפה בנגרר כחול שמסתובב מהר בצביר 47 טוקן. מכאן שהכוכב אינו צעיר כפי שהוא נראה, אלא תוצר של מיזוג של שני כוכבים זקנים יותר, שמעטפות המימן שלהם סיפקו דלק חדש (ומעטפת כחולה ובהירה יותר) לכוכב שנוצר. (נגררים כחולים יכולים להיווצר גם מהעברת מסה בזוג כפול).
קביעת הגיל של צבירים כדוריים יכולה להיות מסובכת מאוד גם בלי הנגררים הכחולים. הספקטרום מראה שבכוכבים שלהם יש פחות יסודות כבדים מאשר בכוכבים המוכרים יותר שבשכנות השמש. לכן תהליכי ייצור האנרגיה והעברתה בכוכבים האלה שונים מאלה שבכוכבים הקרובים יותר לכדור הארץ. כדי לתארך צביר כדורי, אסטרונומים צריכים להכניס את התכונות הייחודיות האלה למודל מסובך של התפתחות כוכבים. מזינים למודל פרטים כמו השכיחות של יסודות כבדים, מידת הדיפוזיה של הליום בליבות הכוכבים (כלומר כמה הליום נודד מהליבה לשכבות חיצוניות יותר), ומידת ההאדמה של אור הצביר.
שגיאה בכל אחד מהמספרים בחישוב של התפתחות כוכבים יכולה לגרום לשגיאה בהערכת הגיל. למשל, נניח ששכחנו להביא בחשבון את האבק הבין-כוכבי הדליל שבין כדור הארץ לצביר הכדורי. האבק מעמעם את האור של הכוכבים בצביר, ולכן נעריך בחסר את הנגיהות שלהם (בצבירים יש כוכבי RR נבל, שמשמשים למדידת המרחק). מכיוון שהנגיהות קשורה לקצב ייצור האנרגיה במודלים של כוכבים, נעריך בחסר גם את קצב ייצור האנרגיה, וזה יוביל לשגיאה בגיל המשוער של הכוכבים. גם שגיאות במרחק משפיעות על הערכת הגיל. הנגיהות שמחשבים לכוכב יחסית לריבוע המרחק שלו, L ∝ d2. מבחינה מתמטית, פירוש הדבר ששגיאה של 10% במרחק נעשית לשגיאה של כ-20% בנגיהות. וגם כאן, הגיל שמתקבל מהמודלים תלוי בנגיהות שמזינים להם. כך הקשיים במדידת מרחקים משפיעים על הידע שלנו על גיל הכוכבים הזקנים ביותר. השיטות הטובות ביותר נותנות לצבירים הכדוריים גילים של כ-10 עד 13 מיליארד שנה. זה טווח אמיתי ולא אי-ודאות במדידה: הצבירים הכדוריים לא נוצרו כולם באותו זמן.
באדיבות NASA
הגילים של צבירים כדוריים הם גם בדיקה חשובה לתיאוריות על ראשית היקום והתפתחותו. היקום אינו יכול להיות צעיר מהעצמים הזקנים ביותר שבו, ולכן הגיל של הצבירים הכדוריים צריך להיות קטן מגיל היקום. זו בדיקה בלתי תלויה לחלוטין של גיל היקום שמתקבל ממודל המפץ הגדול – כ-13.8 מיליארד שנה.
→ הסעיף הקודם: 14.19 מרחקים לקבוצות של כוכבים | הסעיף הבא: 14.21 המבנה של שביל החלב ←