Σχεδόν όλα στο σύμπαν έχουν μάζα, από άτομα και υποατομικά σωματίδια (όπως αυτά που μελετάται από το το Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων) προς το γιγαντιαία συστάδες γαλαξιών. Τα μόνα πράγματα που οι επιστήμονες γνωρίζουν μέχρι στιγμής ότι δεν έχουν μάζα είναι φωτόνια και γλουτώνες.
Η μάζα είναι σημαντική για να γνωρίζουμε, αλλά αντικείμενα στον ουρανό είναι πολύ μακρινά. Δεν μπορούμε να τους αγγίξουμε και σίγουρα δεν μπορούμε να τους ζυγίσουμε με συμβατικά μέσα. Έτσι, πώς οι αστρονόμοι καθορίζουν τη μάζα των πραγμάτων στον κόσμο; Είναι περίπλοκο.
Αστέρια και μάζα
Ας υποθέσουμε ότι α τυπικό αστέρι είναι αρκετά μαζική, γενικά πολύ περισσότερο από έναν τυπικό πλανήτη. Γιατί νοιάζεται η μάζα του; Αυτές οι πληροφορίες είναι σημαντικό να γνωρίζουμε γιατί αποκαλύπτει ενδείξεις για το εξελικτικό παρελθόν, το παρόν και το μέλλον του αστεριού.
Οι αστρονόμοι μπορούν να χρησιμοποιήσουν διάφορες έμμεσες μεθόδους για τον προσδιορισμό της αστρικής μάζας. Μια μέθοδος, που ονομάζεται βαρυτικό φακό, μετρά τη διαδρομή του φωτός που κάμπτεται από την βαρυτική έλξη ενός κοντινού αντικειμένου. Αν και η ποσότητα κάμψης είναι μικρή, οι προσεκτικές μετρήσεις μπορούν να αποκαλύψουν τη μάζα της βαρυτικής έλξης του αντικειμένου που κάνει το τράβηγμα.
Τυπικές μετρήσεις μάζας αστεριών
Χρειάστηκαν οι αστρονόμοι μέχρι τον 21ο αιώνα να εφαρμόσουν το βαρυτικό φακό για τη μέτρηση των αστρικών μαζών. Πριν από αυτό, έπρεπε να βασίζονται σε μετρήσεις των αστέων σε τροχιά γύρω από ένα κοινό κέντρο μάζας, τα λεγόμενα δυαδικά αστέρια. Η μάζα του δυαδικά αστέρια (δύο αστέρια σε τροχιά γύρω από ένα κοινό κέντρο βάρους) είναι αρκετά εύκολο για τους αστρονόμους να μετρήσουν. Στην πραγματικότητα, τα πολλαπλά συστήματα αστέρων παρέχουν ένα παράδειγμα βιβλίου για το πώς να καταλάβουν τις μάζες τους. Είναι λίγο τεχνικό αλλά αξίζει να μελετήσουμε για να καταλάβουμε τι πρέπει να κάνουν οι αστρονόμοι.
Πρώτα, μετρούν τις τροχιές όλων των αστεριών στο σύστημα. Καθορίζουν επίσης τις τροχιακές ταχύτητες των αστεριών και στη συνέχεια καθορίζουν πόσο καιρό χρειάζεται ένα δεδομένο αστέρι για να περάσει από μια τροχιά. Αυτό ονομάζεται "τροχιακή περίοδος".
Υπολογισμός μάζας
Μόλις όλες αυτές οι πληροφορίες είναι γνωστές, οι αστρονόμοι κάνουν έπειτα μερικούς υπολογισμούς για να προσδιορίσουν τις μάζες των αστεριών. Μπορούν να χρησιμοποιήσουν την εξίσωση Vτροχιά = SQRT (GM / R) όπου SQRT είναι "τετραγωνική ρίζα" a, σολ είναι η βαρύτητα, Μ είναι μάζα και R είναι η ακτίνα του αντικειμένου. Είναι θέμα άλγεβρας να πειράζει έξω τη μάζα αναδιατάσσοντας την εξίσωση για την επίλυση Μ.
Έτσι, χωρίς ποτέ να αγγίξει ένα αστέρι, οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν τα μαθηματικά και τους γνωστούς φυσικούς νόμους για να υπολογίσουν τη μάζα τους. Ωστόσο, δεν μπορούν να το κάνουν αυτό για κάθε αστέρι. Άλλες μετρήσεις τους βοηθούν να καταλάβουν τις μάζες για τα αστέριαδεν σε δυαδικά συστήματα ή συστήματα πολλαπλών αστέρων. Για παράδειγμα, μπορούν να χρησιμοποιήσουν φωτεινότητες και θερμοκρασίες. Τα αστέρια με διαφορετικές φωτεινότητες και θερμοκρασίες έχουν πολύ διαφορετικές μάζες. Αυτές οι πληροφορίες, όταν σχεδιάζονται σε ένα γράφημα, δείχνουν ότι τα αστέρια μπορούν να ταξινομηθούν από τη θερμοκρασία και τη φωτεινότητα.
Πραγματικά ογκώδη αστέρια είναι από τα πιο καυτά στο σύμπαν. Τα αστέρια μικρής μάζας, όπως ο Ήλιος, είναι πιο δροσερά από τα γιγαντιαία αδέλφια τους. Το γράφημα των θερμοκρασιών, των χρωμάτων και των φωτεινών χαρακτηριστικών των αστέρων ονομάζεται Διάγραμμα Hertzsprung-Russell, και εξ ορισμού, δείχνει επίσης τη μάζα ενός αστεριού, ανάλογα με το πού βρίσκεται στο διάγραμμα. Αν βρίσκεται κατά μήκος μιας μακράς, κυρτής καμπύλης που ονομάζεται Κύρια ακολουθία, τότε οι αστρονόμοι γνωρίζουν ότι η μάζα του δεν θα είναι γιγαντιαία ούτε θα είναι μικρή. Τα μεγαλύτερα άστρα μάζας και μικρότερης μάζας πέφτουν έξω από την Κύρια Ακολουθία.
Stellar Evolution
Οι αστρονόμοι έχουν μια καλή λαβή για το πώς τα αστέρια γεννιούνται, ζουν και πεθαίνουν. Αυτή η ακολουθία της ζωής και του θανάτου ονομάζεται "αστρική εξέλιξη". Ο μεγαλύτερος προγνωστικός δείκτης για τον τρόπο με τον οποίο ένα αστέρι θα εξελιχθεί είναι το μάζα που γεννήθηκε με, την "αρχική μάζα" της. Τα αστέρια χαμηλής μάζας είναι γενικά ψυχρότερα και πιο αδύνατα από την υψηλότερη μάζα τους ομόλογοί. Έτσι, απλά κοιτάζοντας το χρώμα, τη θερμοκρασία του αστεριού και το σημείο στο οποίο ζει στο διάγραμμα Hertzsprung-Russell, οι αστρονόμοι μπορούν να πάρουν μια καλή ιδέα για τη μάζα ενός αστεριού. Οι συγκρίσεις με παρόμοια αστέρια γνωστής μάζας (όπως τα δυαδικά ψηφία που αναφέρθηκαν παραπάνω) δίνουν στους αστρονόμους μια καλή ιδέα για το πόσο μαζική είναι ένα δεδομένο αστέρι, ακόμα κι αν δεν είναι δυαδικό.
Φυσικά, τα αστέρια δεν κρατούν την ίδια μάζα όλη τη ζωή τους. Το χάνουν καθώς μεγαλώνουν. Σταδιακά καταναλώνουν το πυρηνικό τους καύσιμο και, τελικά, αντιμετωπίζουν τεράστια επεισόδια μαζικής απώλειας στο τελειών της ζωής τους. Αν είναι αστέρια όπως ο Ήλιος, τα φυσούν απαλά και σχηματίζουν πλανητικά νεφελώματα (συνήθως). Εάν είναι πολύ πιο τεράστιες από τον Ήλιο, πεθαίνουν σε γεγονότα υπερκαινοφανών, όπου οι πυρήνες καταρρέουν και στη συνέχεια επεκτείνονται προς τα έξω σε μια καταστροφική έκρηξη. Αυτό εκτοξεύει μεγάλο μέρος του υλικού τους στο χώρο.
Παρατηρώντας τους τύπους των αστεριών που πεθαίνουν όπως ο Ήλιος ή πεθαίνουν στις υπερκαινοφανείς, οι αστρονόμοι μπορούν να συμπεράνουν τι θα κάνουν τα άλλα αστέρια. Ξέρουν τις μάζες τους, ξέρουν πώς άλλα αστέρια με παρόμοιες μάζες εξελίσσονται και πεθαίνουν και έτσι μπορούν να κάνουν κάποια όμορφα καλές προβλέψεις, με βάση τις παρατηρήσεις του χρώματος, της θερμοκρασίας και άλλων πτυχών που τους βοηθούν να κατανοήσουν την άποψή τους μάζες.
Υπάρχουν πολλά περισσότερα για την παρατήρηση των αστέων από τη συλλογή δεδομένων. Οι πληροφορίες που οι αστρονόμοι παίρνουν είναι διπλωμένοι σε πολύ ακριβή μοντέλα που τους βοηθούν να προβλέψουν ακριβώς τι ακριβώς τα αστέρια στον Γαλαξία και σε όλο το σύμπαν θα κάνουν καθώς γεννιούνται, γέρνουν και πεθαίνουν, όλα με βάση το δικό τους μάζες. Στο τέλος, οι πληροφορίες αυτές βοηθούν τους ανθρώπους να κατανοήσουν περισσότερα για τα αστέρια, ιδιαίτερα για τον ήλιο μας.
Γρήγορα γεγονότα
- Η μάζα ενός αστεριού είναι ένας σημαντικός παράγοντας πρόβλεψης για πολλά άλλα χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένου του πόσο χρόνο θα ζήσει.
- Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν έμμεσες μεθόδους για να καθορίσουν τις μάζες των αστεριών, δεδομένου ότι δεν μπορούν να τους αγγίξουν άμεσα.
- Τυπικά μιλώντας, τα πιο μαζικά αστέρια ζουν μικρότερες διάρκειας ζωής από ό, τι οι λιγότερο μαζικές. Αυτό συμβαίνει επειδή καταναλώνουν το πυρηνικό καύσιμο πολύ πιο γρήγορα.
- Αστέρια όπως ο ήλιος μας είναι ενδιάμεση μάζα και θα τελειώνουν με πολύ διαφορετικό τρόπο από τα τεράστια αστέρια που θα ανατιναχθούν μετά από μερικές δεκάδες εκατομμύρια χρόνια.