星の質量を計算する方法

ラザフォード天文台の超巨星 VY おおいぬ座。これは、天文学者によって測定された最大かつ最も重い星の 1 つです。アーハンター、ウィキペディア・コモンズ経由。 CC BY-SA 3.0

ほぼ 宇宙のすべてのものには質量があります 、原子および亜原子粒子（によって研究されたものなど）から大型ハドロンコライダー） に 巨大銀河団 .これまでに科学者が知っている、質量を持たない唯一のものは次のとおりです。 光子 そしてグルーオン。

質量を知ることは重要ですが、空のオブジェクトは遠すぎます。私たちはそれらに触れることはできませんし、従来の方法で重さを測ることもできません。では、天文学者はどのようにして宇宙にあるものの質量を決定するのでしょうか?それは複雑です。

星と質量

仮定します 典型的な星 かなり巨大で、一般的に典型的な惑星よりもはるかに大きい.なぜその質量を気にするのですか？その情報は知っておくことが重要です。 星の進化の過去、現在、未来についての手がかりを明らかにする .

ハッブル宇宙望遠鏡を使用している天文学者は、太陽の質量の 100 倍以上の質量を持つ 9 つのモンスター星を特定しました。それらは、近くの大マゼラン雲の星団 R136 にあります。質量は、星の寿命を知る上で重要な特性です。 NASA/ESA/STScI

天文学者は、星の質量を決定するためにいくつかの間接的な方法を使用できます。と呼ばれる 1 つの方法 重力レンズ効果 、近くの物体の引力によって曲げられる光の経路を測定します。曲げ量は小さいですが、慎重に測定すると、引っ張っているオブジェクトの重力の質量が明らかになります。

典型的な星の質量測定

天文学者が重力レンズ効果を星の質量の測定に適用するには、21 世紀までかかりました。それ以前は、共通の質量中心を周回する星、いわゆる連星の測定値に頼らなければなりませんでした。の質量 連星 (共通の重心を周回する 2 つの星) は、天文学者にとって非常に簡単に測定できます。実際、複数の星系は、それらの質量を計算する方法の教科書的な例を提供します。少し技術的ですが、天文学者が何をしなければならないかを理解するために勉強する価値があります。

地球から 8.6 光年離れた連星系、シリウス A と B のハッブル宇宙望遠鏡の画像。 NASA/ESA/STScI

まず、システム内のすべての星の軌道を測定します。また、星の軌道速度を計測し、特定の星が 1 つの軌道を通過するのにかかる時間を決定します。それは「軌道周期」と呼ばれます。

質量の計算

そのすべての情報が判明したら、天文学者は次に星の質量を決定するためにいくつかの計算を行います。式 V を使用できます。_軌道= SQRT(GM/R) ここで SQRT は「平方根」です。 G は重力であり、 M は質量であり、 R オブジェクトの半径です。方程式を再構成して解くことによって質量を導き出すのは代数の問題です。 M .

そのため、天文学者は星に触れることなく、数学と既知の物理法則を使用してその質量を計算します。ただし、すべての星に対してこれを行うことはできません。他の測定値は、星の質量を把握するのに役立ちます いいえ 連星系または複数星系で。たとえば、光度と温度を使用できます。光度と温度が異なる星は、質量が大きく異なります。その情報をグラフにプロットすると、温度と光度によって星を並べることができることがわかります。

本当に大質量の星は、宇宙で最もホットな星の 1 つです。太陽のような質量の小さい星は、巨大な兄弟星よりも低温です。星の温度、色、明るさのグラフは、 ヘルツスプルング・ラッセル線図 であり、定義上、チャート上の位置に応じて星の質量も示します。と呼ばれる長く曲がりくねった曲線に沿っている場合、 メインシーケンス 、そして天文学者は、その質量が巨大でも小さくもないことを知っています.最大質量の星と最小質量の星は、主系列の外にあります。

このバージョンのヘルツプルング-ラッセル図は、恒星の光度に対する温度をプロットしたものです。ダイアグラム内の星の位置は、その質量と明るさだけでなく、その星がどの段階にあるかについての情報を提供します。 ヨーロッパ南天天文台

恒星の進化

天文学者は、星がどのように生まれ、生き、そして死ぬかをよく知っています。この一連の生と死は「星の進化」と呼ばれています。星がどのように進化するかを予測する最大の要因は、星が生まれたときの質量、つまり「初期質量」です。一般に、低質量の星は、高質量の星よりも温度が低く、暗いです。したがって、星の色、温度、およびヘルツスプルング-ラッセル図のどこに「住んでいる」かを見るだけで、天文学者は星の質量についての良いアイデアを得ることができます。既知の質量を持つ同様の星 (上記の連星など) を比較すると、天文学者は連星でなくても、特定の星の質量を知ることができます。

もちろん、恒星は一生同じ質量を保つわけではありません。彼らは年をとるにつれてそれを失います。彼らは徐々に核燃料を消費し、最終的には核燃料で大量の損失を経験します。 彼らの人生の終わり .それらが太陽のような星である場合、それらはそれを穏やかに吹き飛ばし、惑星状星雲を形成します (通常)。それらが太陽よりもはるかに大きい場合、それらは超新星イベントで死亡し、そこでコアが崩壊し、壊滅的な爆発で外側に膨張します.それは彼らの物質の多くを宇宙に吹き飛ばします。

非常に大質量の星の死を告げた超新星残骸、かに星雲の合成画像。 NASA/ESA/ASU/J.ヘスター＆A.ロル

天文学者は、太陽のように死ぬ星や超新星で死ぬ星の種類を観察することで、他の星がどうなるかを推測できます。彼らは自分の質量を知っており、同様の質量を持つ他の星がどのように進化して死ぬかを知っているため、色、温度、および質量を理解するのに役立つその他の側面の観察に基づいて、かなり良い予測を行うことができます.

星を観察することは、データを収集することだけではありません。天文学者が得た情報は非常に正確なモデルにまとめられており、天の川や宇宙全体の星が生まれ、年を取り、死ぬときにどのようになるかを、すべて質量に基づいて正確に予測するのに役立ちます。最終的に、その情報は、星、特に太陽について人々が理解を深めるのにも役立ちます。

速い事実

• 星の質量は、寿命など、他の多くの特性の重要な予測因子です。
• 天文学者は、星に直接触れることができないため、間接的な方法を使用して星の質量を決定します。
• 一般的に言えば、質量の大きい星は、質量の小さい星よりも寿命が短くなります。これは、彼らが核燃料をはるかに速く消費するためです。
• 私たちの太陽のような星は中間質量であり、数千万年後に爆発する大質量星とは大きく異なる方法で終わります。