宇宙中距离我们数十亿光年远的天体,天文学家如何确定其质量呢
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2024-05-08 13:06:57
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原标题:宇宙中距离我们数十亿光年远的天体,天文学家如何确定其质量呢

宇宙中几乎所有的东西都有质量,从原子和亚原子粒子(如大型强子对撞机所研究的粒子)到巨大的星系团。到目前为止,科学家所知道的没有质量的东西只有光子和胶子。

  • 上图:大犬座 VY 是由卢瑟福天文台拍摄的一颗位于大犬座的红特超巨星。它是天文学家测量到的最大、质量最大的恒星之一。

太空中的天体非常遥远,远得难以想象,那么,天文学家如何确定宇宙中物体的质量呢?

恒星和质量

假设一个典型的恒星相当大,通常比一个典型的行星大得多。为什么要关心它的质量?知道这些信息很重要,因为它揭示了恒星演化的过去、现在和未来的线索。

天文学家可以使用几种间接的方法来确定恒星质量。一种叫做引力透镜的方法,测量被附近天体的引力弯曲的光的路径。虽然弯曲的量很小,但是仔细的测量可以揭示出天体在拖拽时的引力质量。

典型恒星质量测量

直到21世纪天文学家才将引力透镜应用于测量恒星质量。在此之前,他们必须依靠双星来测量恒星的质量,所谓双星是指两颗围绕一个共同的重心运行的恒星。双星的质量对天文学家来说很容易测量。事实上,多恒星系统提供了一个如何计算其质量的教科书示例。这有点技术性,但值得研究,以了解天文学家在计算天体质量时必须做些什么。

双星

首先,他们需测量多恒星系统中所有恒星的运行轨道。他们还需测算恒星的轨道速度,然后确定一个给定恒星绕一个完整轨道需要多长时间,这就是所谓的“轨道周期”。

计算天体质量

一旦所有这些信息都知道了,天文学家接下来会做一些计算来确定恒星的质量。他们可以使用公式V = SQRT(GM/R),其中V是圆周线速度,SQRT是“平方根”,G是重力,M是质量,R是物体的半径。通过重新排列方程来解质量M,这样将物理问题转化为代数问题。

因此,天文学家在不接触恒星的情况下,利用数学和已知的物理定律来计算遥远天体的质量。然而,不是每一个恒星都能按照该公式计算出其质量。在非双星或多星系统中,还有其他物理量有助于天文学家计算出恒星的质量。例如,天文学家可以使用光度(在天文学中,光度是物体每单位时间内辐射出的总能量,即辐射通量。)和温度来测量恒星的质量。不同光度和温度的恒星质量有很大的不同。这些信息,当绘制在图表上时,表明恒星可以根据温度和亮度排列。

真正的大质量恒星是宇宙中最热的恒星之一。较小质量的恒星,如太阳,比特巨大恒星要“冷”。恒星温度、颜色和光度的图表称为赫茨普拉格-罗素图,根据定义,它还显示了恒星的质量,这取决于它在图表上的位置。如果它位于一条被称为主序列的长而曲折的曲线上,那么天文学家知道它的质量不会是巨大的,也不会太小的。最大质量和最小质量的恒星落在主序列之外。

恒星演化

天文学家对恒星的诞生、生存和消亡有很好的把握。这种生与死的顺序被称为“恒星演化”,恒星演化是恒星在生命过程中所经历急遽变化的序列。预测恒星演化的最大因素是它诞生时的质量,即它的“初始质量”。低质量恒星通常比高质量恒星更冷、更暗。因此,通过观察恒星的颜色,温度,以及它在赫茨普拉格-罗素图中的“居住地”,天文学家就能很好地了解恒星的质量。对已知质量的类似恒星(如上述双星)进行比较,天文学家可以很好地了解给定恒星的质量,即使它不是双星。

当然,恒星并不是“一辈子”都保持同样的质量。随着年龄的增长恒星的质量将逐渐变小,这些失去的质量是作为核燃料逐渐消耗,最终在生命的尽头经历巨大的质量损失。如果它们质量像太阳一样,它们通常会形成行星状星云。如果它们的质量比太阳大得多,它们就会在超新星事件中消亡,在超新星事件中核心会坍塌,然后在灾难性的爆炸中向外膨胀,把它们的大部分物质炸到太空。

蟹状星云的合成图像,一个超新星的残余物,预示着一颗非常大的恒星的死亡。

通过观察像太阳一样消亡或在超新星中消亡的恒星类型,天文学家可以推断出其他恒星会做什么。天文学家了解这些天体的质量,他们知道其他质量相似的恒星是如何演化和死亡的,因此因此他们可以根据对天体的颜色、温度和其他方面的观察,做出一些相当好的预测,帮助他们了解自己的质量。

观测恒星比收集数据更重要。天文学家得到的信息被折叠成非常精确的模型,帮助他们准确地预测银河系和整个宇宙中的恒星在诞生、年龄和死亡时将做什么,所有这些都基于它们的质量。最后,这些信息还帮助人们更多地了解恒星,尤其是我们的太阳。

有关天体质量,你应该快速知道的事实

  • 恒星的质量是许多其他特征的重要预测指标,包括恒星的寿命。
  • 天文学家使用间接的方法来确定恒星的质量,因为它们不能直接接触它们。
  • 一般来说,质量大的恒星比质量小的恒星寿命短。这是因为他们消耗核燃料的速度要快得多。像我们的太阳这样的恒星是中等质量的,在几千万年后,它们的结束方式与大质量恒星自爆的方式大不相同。

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