Cum să descopărăm masa unei stele

Aproape tot ceea ce există în univers are masă, de la atomi și particule sub-atomice (cum ar fi cele studiate de Colibrul de Hadroni Mari) până la grupări uriașe de galaxii. Singurele lucruri pe care oamenii de știință le știu până acum despre care nu au masă sunt fotonii și gluonii. 

Masa este important de știut, dar obiectele din cer sunt prea îndepărtate. Nu le putem atinge și cu siguranță nu le putem cântări prin mijloace convenționale. Deci, cum determină astronomii masa lucrurilor din cosmos? Este complicat. 

Stele și masă

Presupunem că o stea tipică este destul de masivă, în general cu atât mai mult decât o planetă tipică. De ce-i pasă de masa ei? Această informație este importantă de știut, deoarece dezvăluie indicii despre trecutul, prezentul și viitorul evolutiv al unei stele.

Astronomii care folosesc Telescopul spațial Hubble au identificat nouă stele monstru cu mase de peste 100 de ori mai mare decât Soarele. Ei se află în grupul stelelor R136 din Noul Magellanic Mare din apropiere. Masa este o caracteristică importantă atunci când ne imaginăm întinderea vieții stelelor. NASA / ESA / STScI

Astronomii pot folosi mai multe metode indirecte pentru a determina masa stelară. O metodă, numită lentila gravitațională, măsoară calea luminii care este îndoită de tragerea gravitațională a unui obiect din apropiere. Deși cantitatea de îndoire este mică, măsurători atente pot dezvălui masa atracției gravitaționale a obiectului care face remorcare.

Măsurători tipice ale masei stelare

A fost nevoie de astronomi până în secolul 21 pentru a aplica lentile gravitaționale la măsurarea maselor stelare. Înainte de aceasta, trebuiau să se bazeze pe măsurători de stele care orbitează pe un centru comun de masă, așa-numitele stele binare. Masa stelelor binare (două stele care orbitează pe un centru comun de gravitație) este destul de ușor de măsurat de astronomi. De fapt, mai multe sisteme stelare oferă un exemplu de manual despre cum să-și dea seama de masele lor. Este puțin tehnic, dar merită studiat pentru a înțelege ce au de făcut astronomii.

O imagine a telescopului spațial Hubble a lui Sirius A și B, un sistem binar situat la 8,6 ani-lumină de Pământ. NASA / ESA / STScI

În primul rând, acestea măsoară orbitele tuturor stelelor din sistem. De asemenea, acestea urmăresc viteza orbitală a stelelor și apoi determină cât timp durează o stea dată pentru a parcurge o orbită. Asta se numește „perioada orbitală”. 

Calcularea masei

Odată ce toate aceste informații sunt cunoscute, astronomii urmează să facă câteva calcule pentru a determina masele stelelor. Ei pot folosi ecuația V_orbită = SQRT (GM / R) unde SQRT este „rădăcină pătrată” a, G este gravitația, M este masă și R este raza obiectului. Este o chestiune de algebră să tachinezi masa prin rearanjarea ecuației pentru care să rezolve M. 

Deci, fără să atingă vreodată o stea, astronomii folosesc matematica și legile fizice cunoscute pentru a-și da seama de masa ei. Cu toate acestea, nu pot face acest lucru pentru fiecare stea. Alte măsurători îi ajută să-și dea seama de masele pentru stele nu în sistemele binare sau cu mai multe stele. De exemplu, pot folosi luminozități și temperaturi. Stelele de luminozități și temperaturi diferite au mase mult diferite. Această informație, atunci când este reprezentată pe un grafic, arată că stelele pot fi aranjate în funcție de temperatură și luminozitate.

Stelele cu adevărat masive sunt printre cele mai tari din univers. Stelele cu masă mai mică, cum ar fi Soarele, sunt mai reci decât frații lor gigantici. Graficul temperaturilor, culorilor și luminozității stelelor se numește diagrama Hertzsprung-Russell și, prin definiție, arată și masa unei stele, în funcție de locul unde se află pe grafic. Dacă se întinde pe o curbă lungă și sinuoasă numită secvență principală, atunci astronomii știu că masa ei nu va fi gigantică și nici nu va fi mică. Cele mai mari mase și cele mai mici stele de masă se încadrează în afara secvenței principale.

Această versiune a diagramei Hertzprung-Russell prezintă temperaturile stelelor împotriva luminozităților lor. Poziția unei stele în diagrama furnizează informații despre stadiul în care se află, precum și masa și luminozitatea acesteia. Observatorul European Sud

Evoluția stelară

Astronomii au o manieră bună cu privire la modul în care stelele se nasc, trăiesc și mor. Această secvență de viață și moarte este numită „evoluție stelară”. Cel mai mare predictor al modului în care va evolua o stea este masa cu care se naște, „masa sa inițială”. Stelele cu masă scăzută sunt în general mai reci și mai slabe decât omologii lor de masă mai mare. Așadar, pur și simplu uitându-vă la culoarea, temperatura și locul unde trăiește în diagrama Hertzsprung-Russell, astronomii pot face o idee bună despre masa unei stele. Comparațiile de stele similare de masă cunoscută (cum ar fi binarele menționate mai sus) oferă astronomilor o idee bună despre cât de masivă este o stea dată, chiar dacă nu este un binar.

Desigur, stelele nu păstrează aceeași masă toată viața. Îl pierd pe măsură ce îmbătrânesc. Își consumă treptat combustibilul nuclear și, în cele din urmă, experimentează episoade uriașe de pierderi în masă la capătul vieții. Dacă sunt stele ca Soarele, o aruncă ușor și formează nebuloase planetare (de obicei). Dacă sunt mult mai masivi decât Soarele, mor în evenimente de supernove, unde miezurile se prăbușesc și apoi se extind spre exterior într-o explozie catastrofală. Asta aruncă o mare parte din materialul lor în spațiu.

Imagine compusă a nebuloasei Crabului, o rămășiță de supernova care a vestit moartea unei stele foarte masive. NASA / ESA / ASU / J. Hester & A. Loll

Observând tipurile de stele care mor ca Soarele sau mor în supernove, astronomii pot deduce ce vor face alte stele. Își cunosc masele, știu cum evoluează și mor alte stele cu mase similare și astfel pot face unele predicții destul de bune, pe baza observațiilor despre culoare, temperatură și alte aspecte care îi ajută să înțeleagă masele lor.

Este mult mai mult să observați stelele decât să adunați date. Informațiile pe care astronomii le obțin sunt împărțite în modele foarte precise, care îi ajută să prezică exact ceea ce stelele de pe Calea Lactee și din tot universul vor face pe măsură ce se nasc, îmbătrânesc și mor, toate pe baza masei lor. În cele din urmă, informațiile respective îi ajută pe oameni să înțeleagă mai multe despre stele, în special Soarele nostru.

Fapte rapide

• Masa unei stele este un predictor important pentru multe alte caracteristici, inclusiv cât timp va trăi.
• Astronomii folosesc metode indirecte pentru a determina masa stelelor, deoarece nu le pot atinge direct.
• De obicei vorbind, stelele mai masive trăiesc vieți mai scurte decât cele mai puțin masive. Acest lucru se datorează faptului că își consumă combustibilul nuclear mult mai rapid.
• Stele ca Soarele nostru sunt o masă intermediară și se vor sfârși într-un mod mult diferit de stelele masive care se vor arunca singure după câteva zeci de milioane de ani.