Hvordan finne ut massen til en stjerne

Den hypergigantiske stjernen VY Canis Majoris, fra Rutherford Observatory. Det er en av de største og mest massive stjernene målt av astronomer. Arthunter, via Wikipedia Commons. CC BY-SA 3.0

Nesten alt i universet har masse , fra atomer og subatomære partikler (slik som de som er studert avLarge Hadron Collider) til gigantiske klynger av galakser . De eneste tingene forskerne vet om så langt som ikke har masse er fotoner og gluoner.

Masse er viktig å vite, men objekter på himmelen er for fjerne. Vi kan ikke røre dem, og vi kan absolutt ikke veie dem på konvensjonelle måter. Så hvordan bestemmer astronomer massen av ting i kosmos? Det er komplisert.

Stjerner og messe

Anta at a typisk stjerne er ganske massiv, generelt mye mer enn en typisk planet. Hvorfor bry seg om massen? Den informasjonen er viktig å vite fordi den avslører ledetråder om en stjernes evolusjonære fortid, nåtid og fremtid .

Astronomer som brukte Hubble-romteleskopet identifiserte ni monsterstjerner med masse over 100 ganger solens masse. De ligger i stjernehopen R136 i den nærliggende store magellanske skyen. Masse er en viktig egenskap når man skal finne ut stjernenes levetid. NASA/ESA/STScI

Astronomer kan bruke flere indirekte metoder for å bestemme stjernemassen. En metode, kalt gravitasjonslinser , måler lysbanen som bøyes av gravitasjonskraften til et objekt i nærheten. Selv om mengden av bøying er liten, kan nøye målinger avsløre massen av tyngdekraften til objektet som drar.

Typiske stjernemassemålinger

Det tok astronomer til det 21. århundre å bruke gravitasjonslinser for å måle stjernemasser. Før det måtte de stole på målinger av stjerner i bane rundt et felles massesenter, såkalte binære stjerner. Massen av binære stjerner (to stjerner som går i bane rundt et felles tyngdepunkt) er ganske enkelt for astronomer å måle. Faktisk gir flere stjernesystemer et lærebokeksempel på hvordan man kan finne ut massene deres. Det er litt teknisk, men verdt å studere for å forstå hva astronomer må gjøre.

Et Hubble-romteleskopbilde av Sirius A og B, et binært system 8,6 lysår unna Jorden. NASA/ESA/STScI

Først måler de banene til alle stjernene i systemet. De klokker også stjernenes banehastigheter og bestemmer deretter hvor lang tid det tar en gitt stjerne å gå gjennom en bane. Det kalles dens 'omløpsperiode'.

Beregning av masse

Når all denne informasjonen er kjent, gjør astronomer deretter noen beregninger for å bestemme massene til stjernene. De kan bruke ligningen V_bane= SQRT(GM/R) hvor SQRT er 'kvadratrot' a, G er gravitasjon, M er masse, og R er objektets radius. Det er et spørsmål om algebra å erte massen ved å omorganisere ligningen for å løse for M .

Så, uten å berøre en stjerne, bruker astronomer matematikk og kjente fysiske lover for å finne ut massen. De kan imidlertid ikke gjøre dette for hver stjerne. Andre målinger hjelper dem med å finne ut massene for stjerner ikke i binære eller flerstjernede systemer. For eksempel kan de bruke lysstyrker og temperaturer. Stjerner med ulik lysstyrke og temperatur har vidt forskjellige masser. Denne informasjonen, når den er plottet på en graf, viser at stjerner kan ordnes etter temperatur og lysstyrke.

Virkelig massive stjerner er blant de hotteste i universet. Stjerner med mindre masse, for eksempel Solen, er kjøligere enn sine gigantiske søsken. Grafen over stjernetemperaturer, farger og lysstyrker kalles Hertzsprung-Russell diagram , og per definisjon viser den også en stjernes masse, avhengig av hvor den ligger på kartet. Hvis den ligger langs en lang, slynget kurve kalt Hovedsekvens , så vet astronomer at massen ikke vil være gigantisk og heller ikke være liten. Stjernene med den største massen og den minste massen faller utenfor hovedsekvensen.

Denne versjonen av Hertzprung-Russell-diagrammet plotter temperaturen til stjerner mot deres lysstyrke. Posisjonen til en stjerne i diagrammet gir informasjon om hvilket stadium den er i, samt dens masse og lysstyrke. European Southern Observatory

Stjerneutvikling

Astronomer har et godt grep om hvordan stjerner blir født, lever og dør. Denne sekvensen av liv og død kalles 'stjerneutvikling.' Den største prediktoren for hvordan en stjerne vil utvikle seg er massen den er født med, dens 'startmasse'. Stjerner med lav masse er generelt kjøligere og svakere enn sine motstykker med høyere masse. Så, ganske enkelt ved å se på en stjernes farge, temperatur og hvor den 'bor' i Hertzsprung-Russell-diagrammet, kan astronomer få en god ide om en stjernes masse. Sammenligninger av lignende stjerner med kjent masse (som binærene nevnt ovenfor) gir astronomer en god idé om hvor massiv en gitt stjerne er, selv om den ikke er en binær.

Selvfølgelig holder ikke stjerner den samme massen hele livet. De mister det når de blir eldre. De forbruker gradvis kjernebrenselet sitt, og opplever til slutt enorme episoder med massetap ved slutten av deres liv . Hvis de er stjerner som solen, blåser de den forsiktig av og danner planetariske tåker (vanligvis). Hvis de er mye mer massive enn solen, dør de i supernovahendelser, der kjernene kollapser og deretter utvider seg utover i en katastrofal eksplosjon. Det sprenger mye av materialet deres til verdensrommet.

Sammensatt bilde av krabbetåken, en rest av supernova som varslet døden til en veldig massiv stjerne. NASA/ESA/ASU/J. Hester & A. Loll

Ved å observere hvilke typer stjerner som dør som solen eller dør i supernovaer, kan astronomer utlede hva andre stjerner vil gjøre. De kjenner massene deres, de vet hvordan andre stjerner med lignende masse utvikler seg og dør, og derfor kan de lage noen ganske gode spådommer, basert på observasjoner av farge, temperatur og andre aspekter som hjelper dem å forstå massene deres.

Det er mye mer å observere stjernene enn å samle data. Informasjonen astronomer får er foldet sammen til svært nøyaktige modeller som hjelper dem å forutsi nøyaktig hva stjerner i Melkeveien og i hele universet vil gjøre når de blir født, eldes og dør, alt basert på massene deres. Til slutt hjelper denne informasjonen også folk til å forstå mer om stjerner, spesielt solen vår.

Raske fakta

• Massen til en stjerne er en viktig prediktor for mange andre egenskaper, inkludert hvor lenge den vil leve.
• Astronomer bruker indirekte metoder for å bestemme massene til stjerner siden de ikke kan berøre dem direkte.
• Vanligvis lever mer massive stjerner kortere levetid enn de mindre massive. Dette er fordi de bruker kjernebrenselet sitt mye raskere.
• Stjerner som vår sol er middels masse og vil ende på en mye annen måte enn massive stjerner som vil sprenge seg selv etter noen titalls millioner år.