科学家是如何计算恒星的质量

经常看好汉科普的一些科普文章的网友可能经常发现，我们说到某颗恒星的时候，经常会说相当于多少多少倍的太阳质量，或者是介绍系外行星的时候，说相当于多少倍木星质量，但是不管是木星还是太阳我们都不可能直接去称量它们的重量，更不要说遥远的恒星了，今天我们就来介绍下科学家是如何计算恒信质量的。

宇宙中几乎所有东西都有质量，从原子和亚原子粒子（例如大型强子对撞机研究的粒子）到巨大的星系团。到目前为止，科学家们所知道的唯一没有静止质量的东西是光子和胶子。

恒星质量的计算方法

为什么科学家要关心恒星的质量呢？了解这些信息很重要，因为它揭示了有关恒星过去、现在和未来演化的线索。

使用哈勃太空望远镜的天文学家确定了九颗质量超过太阳质量100倍的巨星。它们位于大麦哲伦星云中的R136星团中。在计算恒星的寿命时，质量是一个重要的特征。NASA/ESA/STScI

天文学家无法对遥远的恒星直接称重，但是却可以使用几种间接方法来确定恒星质量。一种称为引力透镜的方法测量由附近物体的引力弯曲恒星的光线。尽管弯曲量很小，但仔细测量还是可以揭示物体的引力质量。

典型的恒星质量测量

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，他们不得不依靠测量围绕共同质心运行的恒星，即所谓的双星系统。天文学家很容易测量双星（围绕共同重心运行的两颗恒星）的质量。事实上，多恒星系统提供了一个教科书式的例子来说明如何计算它们的质量。

哈勃太空望远镜拍摄的天狼星A和B，这是一个距离地球8.6光年的双星系统。NASA/ESA/STScI

首先，它们测量系统中所有恒星的轨道。它们还记录恒星的轨道速度，然后确定给定恒星通过一个轨道需要多长时间。这就是所谓的“轨道周期”。

计算质量

一旦知道了所有这些信息，天文学家接下来会利用一些方程式来进行计算以确定恒星的质量。恒星质量的计算公式是：

V_轨道= SQRT(GM/R)

其中SQRT是平方根，G是重力，M是质量，R是恒星的半径。通过上述方程来求M质量是一个代数问题。

因此，天文学家无需接触一颗恒星，就可以使用数学和已知的物理定律来计算它的质量。然而，这种方法还不能对每一个恒星都这样做。其他还有一些能够辅助科学家测量更多类型恒星的方法，例如，他们可以使用恒星的光度和温度。不同光度和温度的恒星具有截然不同的质量。这些信息，当绘制在图表上时，表明恒星可以按温度和光度排列。

真正大质量的恒星是宇宙中最热的恒星之一。较小质量的恒星，例如太阳，比它们巨大的兄弟姐妹更冷。恒星温度、颜色和亮度的图表称为赫罗图，根据定义，它还显示了恒星的质量，具体取决于它在图表上的位置。如果它位于一条称为主序列的长而曲折的曲线上，那么天文学家就知道它的质量不会很大，也不会很小。最大质量和最小质量的恒星则落在主序带之外。

这个版本的赫罗图绘制了恒星温度与其光度的关系。图中恒星的位置提供了关于它处于哪个阶段以及它的质量和亮度的信息。

恒星演化

天文学家很好地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”。恒星将如何演化的最大预测因素是它出生时的质量，即它的“初始质量”。低质量恒星通常比质量较大的恒星温度更低、光度更暗。因此，只需查看恒星的颜色、温度以及它在赫罗图中所在的位置，天文学家就可以很好地了解恒星的质量。比较已知质量的类似恒星（例如上面提到的双星），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，恒星不会一生都保持相同的质量。随着年龄的增长，它们会失去质量。它们逐渐消耗自身的核燃料，并最终在它们生命的尽头经历巨大的质量损失事件：如果它们是像太阳这样的恒星，它们会轻轻地将其吹散并形成行星状星云（通常）；如果它们比太阳大得多，它们就会在超新星事件中死亡，在超新星爆发事件中，核心坍塌，然后在灾难性的爆炸中向外膨胀。这会将它们的大部分材料喷射到太空中。