Kako ugotoviti maso zvezde

Zvezda hipergigant VY Canis Majoris iz observatorija Rutherford. Je ena največjih in najbolj masivnih zvezd, ki so jih izmerili astronomi. Arthunter, prek Wikipedia Commons. CC BY-SA 3.0

Skoraj vse v vesolju ima maso , iz atomov in subatomskih delcev (kot so tisti, ki jih preučujeveliki hadronski trkalnik) za velikanske jate galaksij . Edine stvari, o katerih znanstveniki doslej vedo, ki nimajo mase, so fotoni in gluoni.

Maso je pomembno poznati, vendar so predmeti na nebu preveč oddaljeni. Ne moremo se jih dotakniti in prav gotovo jih ne moremo stehtati na konvencionalne načine. Kako torej astronomi določijo maso stvari v vesolju? Zapleteno je.

Zvezde in maša

Predpostavimo, da a tipična zvezda je precej masiven, na splošno veliko večji od običajnega planeta. Zakaj skrbeti za njegovo maso? Te informacije je pomembno vedeti, ker razkriva namige o evolucijski preteklosti, sedanjosti in prihodnosti zvezde .

Astronomi so s Hubblovim vesoljskim teleskopom identificirali devet pošastnih zvezd z maso, ki je več kot 100-krat večja od mase Sonca. Ležijo v zvezdni kopici R136 v bližnjem Velikem Magellanovem oblaku. Masa je pomembna značilnost pri ugotavljanju življenjske dobe zvezd. NASA/ESA/STScI

Astronomi lahko uporabijo več posrednih metod za določanje zvezdne mase. Ena metoda, imenovana gravitacijske leče , meri pot svetlobe, ki jo ukrivi gravitacijska sila bližnjega predmeta. Čeprav je količina upogiba majhna, lahko natančne meritve razkrijejo maso gravitacijske sile predmeta, ki vleče.

Tipične meritve zvezdne mase

Astronomi so potrebovali vse do 21. stoletja, da so uporabili gravitacijske leče za merjenje zvezdnih mas. Pred tem so se morali zanašati na meritve zvezd, ki krožijo okoli skupnega središča mase, tako imenovanih binarnih zvezd. Masa od dvojne zvezde (dve zvezdi, ki krožita okoli skupnega težišča) je za astronome precej enostavno izmeriti. Pravzaprav so sistemi več zvezd šolski primer, kako ugotoviti njihove mase. To je nekoliko tehnično, vendar ga je vredno preučiti, da bi razumeli, kaj morajo narediti astronomi.

Posnetek Hubblovega vesoljskega teleskopa Sirius A in B, binarnega sistema, ki je 8,6 svetlobnih let oddaljen od Zemlje. NASA/ESA/STScI

Najprej izmerijo orbite vseh zvezd v sistemu. Merijo tudi orbitalne hitrosti zvezd in nato določijo, koliko časa potrebuje določena zvezda, da gre skozi eno orbito. To se imenuje njegova 'orbitalna doba.'

Izračun mase

Ko so znani vsi ti podatki, astronomi naredijo nekaj izračunov za določitev mase zvezd. Uporabijo lahko enačbo V_orbita= SQRT(GM/R), kjer je SQRT je 'kvadratni koren' a, G je gravitacija, M je masa, in R je polmer predmeta. Stvar algebre je, kako izluščiti maso s preureditvijo enačbe, ki jo je treba rešiti M .

Torej, ne da bi se kdaj dotaknili zvezde, astronomi uporabljajo matematiko in znane fizikalne zakone, da ugotovijo njeno maso. Vendar tega ne morejo storiti za vsako zvezdo. Druge meritve jim pomagajo ugotoviti mase zvezd ne v binarnih ali večzvezdnih sistemih. Uporabijo lahko na primer svetilnosti in temperature. Zvezde različnih sijev in temperatur imajo zelo različne mase. Te informacije, ko so prikazane na grafu, kažejo, da je mogoče zvezde razvrstiti po temperaturi in svetilnosti.

Res masivne zvezde so med najbolj vročimi v vesolju. Zvezde z manjšo maso, kot je Sonce, so hladnejše od svojih velikanskih bratov in sester. Graf zvezdnih temperatur, barv in svetlosti se imenuje Hertzsprung-Russellov diagram , in po definiciji prikazuje tudi maso zvezde, odvisno od tega, kje na karti leži. Če leži vzdolž dolge, vijugaste krivulje, imenovane Glavno zaporedje , potem astronomi vedo, da njegova masa ne bo ogromna niti majhna. Zvezde z največjo maso in zvezde z najmanjšo maso spadajo izven glavnega zaporedja.

Ta različica Hertzprung-Russellovega diagrama prikazuje temperature zvezd glede na njihovo svetilnost. Položaj zvezde na diagramu zagotavlja informacije o tem, v kateri fazi je, pa tudi o njeni masi in svetlosti. Evropski južni observatorij

Zvezdna evolucija

Astronomi dobro poznajo, kako se zvezde rodijo, živijo in umirajo. To zaporedje življenja in smrti se imenuje 'zvezdna evolucija'. Največji napovedovalec tega, kako se bo zvezda razvijala, je masa, s katero se rodi, njena 'začetna masa.' Zvezde z majhno maso so na splošno hladnejše in zatemnjenejše od zvezd z večjo maso. Tako lahko astronomi preprosto z opazovanjem zvezdine barve, temperature in mesta, kjer 'živi' v Hertzsprung-Russellovem diagramu, dobijo dobro predstavo o masi zvezde. Primerjave podobnih zvezd z znano maso (kot so zgoraj omenjene dvojne zvezde) dajo astronomom dobro predstavo o masi določene zvezde, tudi če ni dvojna.

Seveda pa zvezde ne ohranjajo enake mase vse življenje. S staranjem ga izgubijo. Postopoma porabijo svoje jedrsko gorivo in sčasoma doživijo ogromne epizode izgube mase na konca svojega življenja . Če so zvezde, kot je Sonce, ga nežno odpihnejo in tvorijo planetarne meglice (običajno). Če so veliko masivnejši od Sonca, umrejo v dogodkih supernove, kjer se jedra zrušijo in nato razširijo navzven v katastrofalni eksploziji. To odnese veliko njihovega materiala v vesolje.

Sestavljena slika meglice Rakovica, ostanka supernove, ki je naznanila smrt zelo masivne zvezde. NASA/ESA/ASU/J. Hester & A. Loll

Z opazovanjem vrst zvezd, ki umrejo kot Sonce ali umrejo v supernovah, lahko astronomi sklepajo, kaj bodo naredile druge zvezde. Poznajo svoje mase, vedo, kako se druge zvezde s podobnimi masami razvijajo in umirajo, zato lahko naredijo nekaj precej dobrih napovedi, ki temeljijo na opazovanjih barve, temperature in drugih vidikov, ki jim pomagajo razumeti njihove mase.

Opazovanje zvezd je veliko več kot zbiranje podatkov. Podatki, ki jih astronomi dobijo, so zloženi v zelo natančne modele, ki jim pomagajo natančno napovedati, kaj bodo zvezde v Mlečni cesti in v celotnem vesolju naredile, ko se bodo rodile, starale in umrle, vse na podlagi njihovih mas. Na koncu te informacije tudi pomagajo ljudem razumeti več o zvezdah, zlasti o našem Soncu.

Hitra dejstva

• Masa zvezde je pomemben napovedovalec številnih drugih značilnosti, vključno s tem, kako dolgo bo živela.
• Astronomi uporabljajo posredne metode za določanje mase zvezd, saj se jih ne morejo neposredno dotakniti.
• Običajno masivnejše zvezde živijo krajšo življenjsko dobo kot manj masivne. To je zato, ker veliko hitreje porabijo jedrsko gorivo.
• Zvezde, kot je naše Sonce, so vmesne mase in bodo končale na precej drugačen način kot masivne zvezde, ki se bodo raznesle po nekaj desetih milijonih let.