如何计算恒星的质量?

作者&投稿:宰父房 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
宇宙中几乎所有的东西都有质量,从原子和亚原子粒子(比如大型强子对撞机研究的粒子)再行星、恒星、星系和巨大的星系团。到目前为止,科学家所知道唯一没有质量的粒子是光子和胶子。它们分别是传递电磁力和强力的介导粒子。

质量是一个物体的固有属性,就像你每天很关心自己的体重一样,质量对于天体物理学的研究也至关重要。但是天空中的物体太遥远,我们不能触摸到它们,当然也不能通过传统的方法去测量它们的重量,例如,拿起来称一称。那么,天文学家是如何确定宇宙中物质的质量呢?

恒星与质量

我们直到一个典型的恒星相当大,通常比行星要大得多。那为什么要关心恒星的质量呢?因为恒星质量的信息非常重要,它揭示了恒星过去、现在和未来的进化线索。我们直到宇宙中所有的恒星(包括我们的太阳)都是通过将轻元素聚变成重元素来发光、发热的。而所有的恒星都是由大量的氢和少量的氦组成,因此它们的质量存在差异,就这唯一的因素就绝对了一个恒星生命周期内的所有表现和死亡后的结局。

我们可以使用几种间接的方法来确定恒星的质量。其中一种被称为引力透镜法,通过测量光经过大质量物体在引力作用下的弯曲路径,虽然弯曲量很小,但仔细测量就可以发现这个物体的引力质量。

直到21世纪,天文学家才将引力透镜效应应用于测量恒星的质量。在此之前,天文学家必须依靠围绕一个共同质心运行的双星系统来测量恒星的质量。对于天文学家来说,双星质量(围绕一个共同的质心旋转的两颗恒星)很容易测量。

首先,我们需要测量系统中所有恒星的轨道,并且记录恒星的轨道速度,然后确定恒星经过轨道需要多长时间,即所谓的“轨道周期”。 知道了以上所有的信息,天文学家就可以确定恒星的质量。

因此,我们无需接触恒星,就可以使用数学和已知的物理定律来计算恒星的质量。但是,这个方法并不适用于所有的恒星。因为有些恒星没有伴星(例如,太阳)有些恒星距离我们十分遥远,无法获得其轨道信息,我们就可以使用亮度和温度来确定恒星的质量。因为质量不同的恒星其亮度和温度有很大的不同。将宇宙中的各类恒星的亮度和温度信息绘制在图表上时,我们就得到了一个恒星演化图。

其中大质量恒星是宇宙中最热、最蓝的恒星,较小质量的恒星(如太阳)比这些大质量恒星的温度要低。恒星温度、颜色和亮度的图表被称为赫茨普朗-罗素图,根据定义,它也显示了恒星的质量,这取决于恒星在图表上的位置。如果恒心位于主序线上,那么天文学家就知道这颗恒星的质量既不会很大也不会很小。因为最大质量和最小质量的恒星一般在主序列之外。

恒星演化

目前我们已经很好的掌握了恒星是如何诞生、生存和死亡的。这种生与死的顺序被称为“恒星演化”。一颗恒星在其一生中如何演化的最大预测指标是它与生俱来的质量,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,我们只需观察一颗恒星的颜色、温度,以及它在赫茨普龙格-罗素图中的“位置”,就能很好地了解一颗恒星的质量。通过与已知质量(颜色、温度和亮度)类似的恒星(如上文提到的双星)进行比较,可以让我们更加精确的直到给定恒星的质量。

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,恒星会逐渐失去其质量。恒星在生命周期内会逐渐消耗核燃料,最终,在它们生命的尽头会经历了巨大的质量损失。像太阳这样的恒星死亡时,会轻轻地外壳的氢吹走,形成行星状星云,如果恒星质量比太阳大得多(8倍以上),恒星就会在核坍缩超新星的爆炸中死亡,将大部分物质抛洒到星际介质中,其核心会留下一颗中子星或黑洞。

通过观察一些已知质量恒星的死亡方式,我们就可以推断出其他类似质量的恒星在死亡时会发生什么。
总结

这就要把牛顿老爷子抬出来了,如果没有牛顿的万有引力公式,我们是无法计算出恒星或其他天体的质量的。

牛顿的万有引力公式就是指明了两个物体之间的引力关系,通过这个公式,就可以得出其中任意物体的质量了。

这个公式揭示了两个物体的质量与距离的平方之间的关系,当然还要有一个重要的常数值G,叫做万有引力常数。

这时我们就要请出另一位老爷子,卡文迪许,他是第一个测量G值得人,而且是通过一个并不复杂得扭秤机构测量得,当时得测量值与今天得测量值在精度上是非常接近得了。

这样,我们就可以观测任意天体之间得相对运动,得出其轨道半径,然后就可以利用这些公式计算出天体得质量来了。

当然,理论上看起来很简单,但是实际上无论是观测,还是测量,还是计算,都没有想象的那么简单。这里只是把基本的原理讲解出来,真正的计算或者推算过程还是很复杂的。

计算恒星质量还是用万有引力公式进行估算。必须用一个已知的参照物进行估算。首先,要取得未知恒星与已知质量的恒星之间的距离、互绕运动速度,然后才能“下手”估算。

实际上,宇宙中的星球之间的引力关系非常复杂。每个星球之间都有引力。宇宙星球就像是人脑神经网络,星球就是神经元,引力就是神经元之间的网络连接。整个宇宙这个“星球神经网络”就是最复杂的“网络拓扑完全连接”。整个宇宙又像是“一大锅粥”,星球是其中的“米粒”,粥的“粘汤”就是引力,或叫“引力粥”。所以,用“万有引力方案”计算星球,几乎就是瞎猜!只能先通过模型简化后,确定未知星球与已知星球之间的距离和运动速度,建立起简化的动力学模型,然后估算。

从上面简单的叙述,你就应该知道现在估算星球演化的模型是非常不靠谱的!暗什么物质假设,就是在这个“不靠谱的”东西上“瞎猜”出来的!

目前,可以利用计算机,建立宙宇“粥”模型,或利用“宇宙神经网络”拓扑模型计算宇宙某个局部动力学模型。这个方案要精确、“逼真”地模拟宇宙动力学形式。即使这样,也需要动用各种测距、测速手段,建立必要的边界条件,而且,这个“边界条件”也是粗略估计的,比如,用哈勃原理估算星球距离、速度等,把这些物理量与光谱红移量连起来。

总之,星球质量的测量,只能是“大米筛子,筛小米”---数据太粗糙!

~

恒星的质量是如何测定的?
答:恒星质量的测定是天文学中的一个大难题。恒星太大了,人类根本不可能制造出那么大的天秤和砝码来衡量它。所以,人们对于单个的恒星毫无办法直接测定它的质量。那么,人类就永远无法知道恒星的质量吗?千百年来,天文学家们孜孜不倦地探索研究,终于找到了衡量恒星质量的途径。那就是先直接测定双星的质量。

什么是恒星的质量和密度是多少?
答:恒星的质量是恒星的物理量,是恒星结构和演化的决定因素。利用双星的轨道运动是确定恒星质量最根本、最可靠的方法。一般恒星质量在0.05~120个太阳质量。多数恒星在太阳质量的0.1~10倍,处于银河系旋臂中的多数大恒星,质量大都在6~60倍。如果质量再大的恒星,它就很不稳定,难以存在。如果恒星质量过...

人类是如何算出星球的的总质量的?
答:第二种计算方法是通过光度推算,相同类型的恒星,质量越大,光度越大,因此可以通过恒星的光度,和已知相似恒星的质量来推算出恒星质量。第三种计算方式是通过引力红移计算,由广义相对论可知,强引力天体发射的电磁波波长会变长(红移现象),根据红移的偏移量和恒星的直径,就可以计算出恒星的质量。虽然...

行星的质量是怎么算出来的
答:我们将很容易得出星球的质量。测量星球的半径:关于星球半径的测量,我们可以在地球上的某一地点用一个测距仪测出地球上该点到星球的最顶端和最底端的距离L,很容易能知道在测量过程中,仪器所改变的角度θ。然后运用三角函数的数学知识就可以很轻易地计算出未知星球的半径R了。

测量恒星几何大小的方法包括以下哪些
答:一、直接测量 1、使用天体测量学工具,角直径法或多弧度法,可以直接测量恒星的角直径或者测量其光谱中的吸收线波长,计算出恒星的半径或质量。2、使用干涉仪等仪器,可以测量恒星的自行运动,推算出其大小和质量。二、间接测量 1、通过测量恒星周围其他天体的运动,行星或卫星的轨道,推算出恒星的质量和...

星球质量是怎么计算的
答:已知:ρ=***,V=***,求m。据:ρ=m/v变形m=ρv 解:(不要吐槽,让我缅怀一下我逝去的青春 _(:з」∠)__……绝对没有夕阳下的奔跑!!!)OK,书归正传!行星的质量也可以通过恒星的质量结合行星运动的半径周期等等资料计算得到,其中一般简单的可以用到开普勒的天体定律,但现代用的较多的是...

人类是怎样得知相距甚远的天体的质量是多少的?是如何计算的?
答:这并不难。如果两颗恒星相距很远,望远镜就能分辨出它们,那么数据就很容易获得。如果距离比较近,就需要用光谱学等方法来计算,虽然有点复杂,但也能得到数据。当然,宇宙中有一半的恒星不是双星,那么如何计算它们的质量呢?通过不断的研究,科学家们发现,恒星的质量与其光度直接相关,这一定律被称为...

你说天文学家是怎么知道银河系里那些恒星的大小、质量等数据?它们离...
答:白矮星、中子星模型。1960年代发现的脉冲星,就是对这种以典型信息拟合理论分析模型的方法及其预言的生动检验。还有,比如刚刚宣布的美国天文学家首次发现环绕两颗恒星运行的行星。就是天文学家们根据上述两颗恒星亮度降低的时间变化计算出第三个天体对它们的引力,进而推算出其质量。希望对你有帮助!

我们人类怎样算出恒星,行星的大小,质量等数据的
答:补充一下质量:天体测量学方法是在目标恒星(也就是要测量行星的母星)周围直径1度范围(这个范围相当于我们看月亮的大小)内选择几颗恒星作为一个稳定的参考系,然后仔细测定目标恒星由于受到行星运动干扰而产生的相对于这个参考系细微的运动轨迹。如果在30光年远处观测太阳,由于木星和土星的引力作用,就会...

恒星质量的介绍
答:恒星的物理量,恒星结构和演化的决定因素。利用双星的轨道运动是确定恒星质量最根本、最可靠的方法。计算给出恒星的质量下限为0.08太阳质量。再小一点的星也能形成,但其中央温度不高,不能开动核反应,只能靠引力收缩释放能量,没有发现质量低于0.08太阳质量的主序星。