Jak obliczyć masę gwiazdy?

Gwiazda hiperolbrzyma VY Canis Majoris z Obserwatorium Rutherforda. Jest to jedna z największych i najmasywniejszych gwiazd mierzonych przez astronomów. Arthunter, za pośrednictwem Wikipedia Commons. CC BY-SA 3.0

Prawie wszystko we wszechświecie ma masę , z atomów i cząstek subatomowych (takich jak te badane przezWielki Zderzacz Hadronów) do gigantyczne gromady galaktyk . Jedyne rzeczy, o których naukowcy wiedzą do tej pory, a które nie mają masy, to: fotony i gluony.

Ważna jest znajomość masy, ale obiekty na niebie są zbyt odległe. Nie możemy ich dotknąć iz pewnością nie możemy ich zważyć konwencjonalnymi środkami. Jak więc astronomowie określają masę rzeczy w kosmosie? To skomplikowane.

Gwiazdy i Msza

Załóżmy, że typowa gwiazda jest dość masywna, generalnie znacznie większa niż typowa planeta. Po co dbać o jego masę? Ta informacja jest ważna, ponieważ ujawnia wskazówki dotyczące ewolucyjnej przeszłości, teraźniejszości i przyszłości gwiazdy .

Astronomowie korzystający z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a zidentyfikowali dziewięć potwornych gwiazd o masach ponad 100 mas Słońca. Leżą w gromadzie gwiazd R136 w pobliskim Wielkim Obłoku Magellana. Masa jest ważną cechą przy określaniu długości życia gwiazd. NASA/ESA/STScI

Astronomowie mogą wykorzystać kilka metod pośrednich do określenia masy gwiazdy. Jedna metoda, zwana soczewkowanie grawitacyjne , mierzy ścieżkę światła zakrzywioną przez przyciąganie grawitacyjne pobliskiego obiektu. Chociaż wielkość zgięcia jest niewielka, dokładne pomiary mogą ujawnić masę przyciągania grawitacyjnego obiektu wykonującego szarpnięcie.

Typowe pomiary masy gwiazdy

Aż do XXI wieku zajęło astronomom zastosowanie soczewkowania grawitacyjnego do pomiaru mas gwiazd. Wcześniej musieli polegać na pomiarach gwiazd krążących wokół wspólnego środka masy, tak zwanych gwiazd podwójnych. Masa gwiazdy binarne (dwie gwiazdy krążące wokół wspólnego środka ciężkości) jest dość łatwy do zmierzenia przez astronomów. W rzeczywistości wiele systemów gwiezdnych stanowi podręcznikowy przykład obliczania ich masy. To trochę techniczne, ale warte przestudiowania, aby zrozumieć, co muszą zrobić astronomowie.

Zdjęcie z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a przedstawiające Syriusza A i B, układ podwójny oddalony o 8,6 lat świetlnych od Ziemi. NASA/ESA/STScI

Najpierw mierzą orbity wszystkich gwiazd w układzie. Mierzą również prędkości orbitalne gwiazd, a następnie określają, ile czasu zajmie danej gwieździe przejście jednej orbity. Nazywa się to „okresem orbitalnym”.

Obliczanie masy

Gdy wszystkie te informacje są już znane, astronomowie wykonują następnie obliczenia, aby określić masy gwiazd. Mogą użyć równania V_orbita= PIERWIASTEK(GM/R) gdzie PIERWIASTEK to 'pierwiastek kwadratowy' a, G jest grawitacja, M jest masa i R to promień obiektu. To kwestia algebry, aby wydobyć masę przez przekształcenie równania w celu rozwiązania M .

Tak więc, nigdy nie dotykając gwiazdy, astronomowie używają matematyki i znanych praw fizycznych, aby obliczyć jej masę. Jednak nie mogą tego zrobić dla każdej gwiazdy. Inne pomiary pomagają im obliczyć masy gwiazd ​ nie w systemach binarnych lub wielogwiazdkowych. Na przykład mogą używać jasności i temperatury. Gwiazdy o różnych jasnościach i temperaturach mają bardzo różne masy. Te informacje, przedstawione na wykresie, pokazują, że gwiazdy można uporządkować według temperatury i jasności.

Naprawdę masywne gwiazdy należą do najgorętszych we wszechświecie. Gwiazdy o mniejszej masie, takie jak Słońce, są chłodniejsze niż ich gigantyczne rodzeństwo. Wykres temperatur gwiazd, kolorów i jasności nazywa się Wykres Hertzsprunga-Russella , iz definicji pokazuje również masę gwiazdy, w zależności od tego, gdzie leży na mapie. Jeśli leży wzdłuż długiej, falistej krzywej zwanej Sekwencja główna wtedy astronomowie wiedzą, że jego masa nie będzie ani gigantyczna, ani mała. Gwiazdy o największej i najmniejszej masie wychodzą poza ciąg główny.

Ta wersja wykresu Hertzprunga-Russella przedstawia temperatury gwiazd w funkcji ich jasności. Pozycja gwiazdy na diagramie dostarcza informacji o tym, na jakim etapie się znajduje, a także o jej masie i jasności. Europejskie Obserwatorium Południowe

Gwiezdna ewolucja

Astronomowie dobrze wiedzą, jak gwiazdy się rodzą, żyją i umierają. Ta sekwencja życia i śmierci nazywana jest „ewolucją gwiezdną”. Największym predyktorem ewolucji gwiazdy jest masa, z jaką się narodziła, jej „masa początkowa”. Gwiazdy o małej masie są zazwyczaj chłodniejsze i ciemniejsze niż ich odpowiedniki o większej masie. Tak więc, po prostu patrząc na kolor gwiazdy, jej temperaturę i miejsce jej 'zamieszkania' na diagramie Hertzsprunga-Russella, astronomowie mogą uzyskać dobre pojęcie o masie gwiazdy. Porównania podobnych gwiazd o znanej masie (takich jak wspomniane powyżej układy podwójne) dają astronomom dobre wyobrażenie o tym, jak masywna jest dana gwiazda, nawet jeśli nie jest to gwiazda podwójna.

Oczywiście gwiazdy nie zachowują tej samej masy przez całe życie. Tracą to z wiekiem. Stopniowo zużywają paliwo jądrowe i ostatecznie doświadczają ogromnych epizodów utraty masy na koniec ich życia . Jeśli są gwiazdami takimi jak Słońce, delikatnie je zdmuchują i tworzą mgławice planetarne (zazwyczaj). Jeśli są znacznie masywniejsze niż Słońce, giną w zdarzeniach supernowych, w których jądra zapadają się, a następnie rozszerzają na zewnątrz w katastrofalnej eksplozji. To wystrzeliwuje większość ich materiału w kosmos.

Złożony obraz Mgławicy Krab, pozostałości po supernowej, która zwiastowała śmierć bardzo masywnej gwiazdy. NASA/ESA/ASU/J. Hester i A. Loll

Obserwując typy gwiazd, które umierają jak Słońce lub umierają w supernowych, astronomowie mogą wywnioskować, co zrobią inne gwiazdy. Znają swoje masy, wiedzą, jak inne gwiazdy o podobnych masach ewoluują i umierają, dzięki czemu mogą zrobić całkiem dobre prognozy na podstawie obserwacji koloru, temperatury i innych aspektów, które pomogą im zrozumieć ich masy.

Obserwacje gwiazd to znacznie więcej niż zbieranie danych. Informacje, które astronomowie otrzymują, są złożone w bardzo dokładne modele, które pomagają im dokładnie przewidzieć, co zrobią gwiazdy w Drodze Mlecznej i w całym wszechświecie, gdy się rodzą, starzeją i umierają, a wszystko to w oparciu o ich masy. Ostatecznie informacje te pomagają również ludziom lepiej zrozumieć gwiazdy, w szczególności nasze Słońce.

Szybkie fakty

• Masa gwiazdy jest ważnym predyktorem wielu innych cech, w tym długości jej życia.
• Astronomowie używają metod pośrednich do określania mas gwiazd, ponieważ nie mogą ich bezpośrednio dotykać.
• Zazwyczaj bardziej masywne gwiazdy żyją krócej niż mniej masywne. Dzieje się tak, ponieważ znacznie szybciej zużywają swoje paliwo jądrowe.
• Gwiazdy takie jak nasze Słońce mają masę pośrednią i kończą się zupełnie inaczej niż masywne gwiazdy, które wybuchną po kilkudziesięciu milionach lat.