怎么知道星星有多重？

在上一期，我們了解了怎么測量一顆星星與我們的距離。你或許還會好奇，怎么知道星星有多重、有多大呢？在生活中，當(dāng)我們想弄清楚某個物體的質(zhì)量和體積，會使用秤和尺子。對于遠(yuǎn)在天邊的星星，天文學(xué)家們就要另辟蹊徑了。

拉手轉(zhuǎn)圈圈，質(zhì)量與力量有關(guān)

我們以夜空中最亮的恒星天狼星為例（距地球8.6 光年，如果你有一個小望遠(yuǎn)鏡，可以輕松觀測它）。以前人們一直以為天狼星是一顆星，直到1862 年才發(fā)現(xiàn)天狼星其實是一顆由明亮的天狼星A 和暗淡的天狼星B 組成的雙星系統(tǒng)，它們在很近的距離內(nèi)相互繞行。

這和我們討論的恒星質(zhì)量又有什么關(guān)系呢？讓我們想象這樣一個場景：你拉著一個空書包原地轉(zhuǎn)圈，你可以穩(wěn)穩(wěn)地站在中心；如果將書包換成與你體重差不多的同學(xué)，也許你倆就成了繞著牽手的位置轉(zhuǎn)圈；如果對面換成一位壯漢，也許就變成你繞著他轉(zhuǎn)了。這背后的原因，是拉扯的物體質(zhì)量不同，兩者之間相互的力也不同。星星也一樣，天體間的萬有引力，就像手拉手的力量，天狼星A 和天狼星B 的引力互相拉扯，繞著一個共同的質(zhì)量中心（即“質(zhì)心”）旋轉(zhuǎn)。

通過觀測它們的擺動情況，天文學(xué)家很快掌握了這兩顆恒星間的平均距離及其軌道周期。借助德國天文學(xué)家約翰尼斯·開普勒的開普勒第三定律，雙星系統(tǒng)中兩顆星星的質(zhì)量和它們的軌道周期有關(guān)，天文學(xué)家就算出這個雙星系統(tǒng)的總質(zhì)量大約是太陽的3 倍。

接下來，通過觀察兩顆恒星分別與質(zhì)心的距離，發(fā)現(xiàn)天狼星B 距質(zhì)心的距離約為天狼星A 的兩倍，那么天狼星B 的質(zhì)量大約只有天狼星A 的一半（類似蹺蹺板上體重大的人要坐得離中間近一些才能保持平衡）。由此可知，天狼星A 的質(zhì)量大約占了這個雙星系統(tǒng)的三分之二，也就是約2 倍太陽質(zhì)量，而天狼星B 這顆白矮星幾乎與太陽質(zhì)量相同。

閃閃滿天星，質(zhì)量與亮度有關(guān)

物理啟蒙

·八年級物理上“質(zhì)量”

·物體所含物質(zhì)的多少叫作質(zhì)量。物體的質(zhì)量不隨它的形狀、物態(tài)和位置而改變。

你一定會追問，像我們太陽一樣獨立的單星系統(tǒng)要怎么“稱重”？一開始確實沒辦法，但隨著越來越多的雙星質(zhì)量被測量出來，哈爾姆等天文學(xué)家注意到，在大多數(shù)情況下，它們的質(zhì)量與亮度之間存在著相關(guān)性。1924 年，英國天體物理學(xué)家亞瑟·愛丁頓總結(jié)出了一套恒星質(zhì)量與光度的關(guān)系，即“質(zhì)光關(guān)系”。也就是說，我們通過望遠(yuǎn)鏡觀測這個星星有多亮，就能估算出它大概有多重。

除此之外，還可以利用廣義相對論。愛因斯坦告訴我們，大質(zhì)量天體的重力，就像一個放大鏡，會使經(jīng)過它附近的星光發(fā)生彎曲，天體質(zhì)量越大，彎曲效果越明顯。因此，天文學(xué)家還可以通過望遠(yuǎn)鏡觀測這些天體對附近光線的扭曲程度，來估算其質(zhì)量。

理論上，最“輕”的恒星，可以低至只有0.075倍太陽質(zhì)量，而最“重”的恒星，可以達到幾百倍太陽質(zhì)量。目前人類觀測到的最大質(zhì)量的恒星是BAT99-98，其質(zhì)量約為太陽的226 倍。

燃燒的恒星，體積和熱量有關(guān)

是不是最重的恒星就一定是體形最大的呢？不一定。那么，天文學(xué)家是如何量出恒星的“腰圍”的呢？

很多人以為，只要有一架足夠強大的望遠(yuǎn)鏡，就應(yīng)該能看清恒星的模樣。事實是，恒星離我們太過遙遠(yuǎn)，以至于所有的恒星在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中都只是一個很小的光斑，就像是顯示器上的一個或明或暗的像素點，很難分辨它的尺寸到底有多大。怎么辦呢？

科學(xué)家想到的辦法，是利用恒星的溫度。讓我們把恒星想象成一個燒火的大爐子吧。生活經(jīng)驗告訴我們，要想讓爐子輻射出更多的熱量，要么提升爐子的溫度，要么造一個更大尺寸的爐膛。或者說，當(dāng)爐子的溫度不變時，體積越大的爐子，輻射出的熱量越多。對于恒星來說也同樣如此，溫度越高、體積越大，輻射的能量就越多。因此，只要想辦法測得了某顆恒星輻射的能量，以及它的溫度，有了這兩把鑰匙，就能打開新的一扇門，倒推出星星的大小。

天文學(xué)家總是想方設(shè)法利用望遠(yuǎn)鏡中恒星的光來求得其他的物理量。1911年，丹麥天文學(xué)家埃納·赫茨普龍在前人總結(jié)的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，將恒星的亮度（絕對星等）與恒星的表面溫度（光譜）關(guān)系畫在了一張圖上，1913年美國天文學(xué)家亨利·羅素也做了同樣的事情，這張圖后來用他們的名字被命名為“赫羅圖”。通過赫羅圖，我們可以總結(jié)出恒星絕對亮度與溫度的數(shù)值關(guān)系。也就是說，我們可以通過亮度大致猜測恒星的“溫度”有多高?！皽囟取边@第一把鑰匙已經(jīng)拿到手了。第二把鑰匙是恒星輻射的能量，同樣可以直接用恒星的亮度（絕對星等）來表示。有了這兩把鑰匙，天文學(xué)家就能求得恒星的體積。

體積與壽命有關(guān)

目前人類已經(jīng)觀測到的最大號的恒星，是位于盾牌座方向的紅特超巨星“史蒂文森2-18”，半徑達到了太陽的2158倍。如果把它放在我們太陽的位置，它將吞沒地球加上金木水火土五大行星軌道。如果以光速飛行，繞這顆恒星的赤道飛一圈需要將近9個小時。

而體積最小的恒星，是距地球約600光年的紅矮星EBLMJ0555-57Ab，它的體積比木星還要小，和土星差不多，質(zhì)量也只有0.081個太陽質(zhì)量，僅比前面提到的理論最小值大一點點而已。只要再小一點，就會由于缺少足夠的質(zhì)量來維持核心的燃燒而被踢出恒星界，劃歸褐矮星的隊伍，而褐矮星也被稱為“失敗的恒星”。

當(dāng)然，小恒星的優(yōu)勢在于可以活更久，畢竟體積越大的恒星，燃燒得越快，耗盡得也越快，史蒂文森2-18從新生到老年只有短短一千萬年，而太陽能燃燒100億年，最小的這顆紅矮星說不定能燃燒到天荒地老。

觀星是人類最古老的活動之一，但那些從山洞中仰望浩瀚蒼穹的祖先們完全無法想象，他們的后人將透過巨大的望遠(yuǎn)鏡窺視星空，僅僅利用星星發(fā)出的點點光芒，便能知曉它們的質(zhì)量和大小，猜度與我們的距離，探索它們的化學(xué)組成和前世今生，拼湊出整個宇宙的樣貌。這種聽上去與占卜別無二致的奇異之術(shù)，我們稱之為：天體物理學(xué)。