科学家如何知道遥远恒星的秘密?原来都有光谱“指纹”!
来源:时空通讯
发布时间:2022-05-24
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今年3月30日,世界著名的科学杂志《自然》发布了一篇文章,声称NASA(美国航天局)利用哈勃望远镜发现了一颗迄今最遥远的恒星,编号为WHL0137-LS,被命名为Earendel,寓意是“晨星”或“旭日之光”。

研究认为,这颗恒星距离我们约129亿光年,质量约有太阳的50倍以上,是一颗巨大的蓝星。在此之前,最远的恒星是2018年发现的MACS J1149 + 2223 Lensed Star-1(简称LS1),别名伊卡洛斯,距离我们约93亿光年。

这些恒星都是通过引力透镜放大效应才被发现的,虽然很模糊,但科学家们也能够从一点星光中发现其身份信息。许多距离在亿万光年的恒星,科学家们都能够将其情况娓娓道来,如数家珍。那么,科学家们是如何知道了这些恒星的信息呢?

原来科学家们有许多的科学方法,探知这些遥远恒星的秘密。其中很重要的一个方法,就是分析恒星光谱。恒星光谱可以披露出恒星很多深层的秘密,没有两颗恒星具有完全一模一样的光谱,因此恒星光谱被誉为恒星的指纹。

科学家们正是掌握了恒星的这种“指纹”,才能够了解遥远恒星的基本参数和细节。我们一起来学习了解一下。

光谱指纹是如何形成的/

我们知道,每个人都有不同的指纹,这个世界上没有两枚完全相同的指纹。正是如此,人们就可以通过一个人留下的指纹信息,在70多亿人口中找到这个人。

但如果说恒星也有指纹,许多人当然不信。恒星是一个巨大的火球,怎么可能长出指纹呢?这种说法没错,但这里说的指纹并非真正的指纹,而是类似指纹这种能够辨别信息的方法。在人类中,指纹常常与一个人身份信息相关,通过指纹比对,就可以了解这个人的性别、年龄、出生地、民族、信用状况等等信息,因此指纹也类似身份证。

恒星也是一样,由于每颗恒星诞生的环境、时间、物质组成、质量大小、演化过程、距离远近都不一样,导致发出的光就有差别,而恒星光谱就能把这些差别细微的刻画出来,从而形成了恒星的“指纹”。

光谱,就是光的颜色和谱线。我们人眼看到的光叫可见光,是复合光,如太阳光由红橙黄绿青蓝紫等颜色组成,由于不同颜色的光具有不同的波长和折射率,通过棱镜时就会发生色散,将各种不同颜色的光分离出来。

可见光波长约在380~780纳米之间,以紫光波长最短,红光波长最长,能量则与波长成反比。可见光是电磁波谱中一小段,电磁波除了有可见光,还有不可见光,如无线电、红外线、紫外线、X射线、γ射线等。

光波是由于原子运动过程中电子产生的电磁辐射,不同物质的内部电子,以及这些电子在不同能量下运动情况是不一样的,因此不同物质在不同状态下发射的光波就不同。现在已经发现的宇宙元素有118种,每种元素发出的光波都是不一样的。

光谱中会有光谱线,是指均匀连续光谱中的暗线或亮线,每种原子都有自己的特征谱线,因此,通过光谱线特征就可以鉴别出是什么原子或分子发出的光。光谱线遵从基尔霍夫定律,即每一种化学元素在高温下,都能产生辐射而发出独特的明线光谱;在低温时,则吸收自己能够发出的这些辐射,从而使光谱中的明线变成暗线。

科学家们在实验室获得各种元素在各种条件下发生的光谱样本,有了这些样本,与采集到的各种光源光谱对照分析,就能够得到这些光源是什么元素发出,及其各种元素的丰度(比例)。这就是科学家通过恒星光谱分析,就能得到恒星状态的原因。

通过恒星光谱分析,还能知道恒星的大小和寿命/

科学家们通过对恒星的长期观测,发现了一个规律,就是质量越大的恒星,光度越高,表面温度也越高,这样就能够通过一颗恒星的亮度,来推测恒星质量的大小了。

最常用的恒星光谱分类系统是美国哈弗大学天文台在十九世纪末提出的,称为哈佛系统,这个系统将恒星光谱分为O、B、A、F、G、K、M等类型,每个光谱型又分为10个次型,以阿拉伯数字0~9标注。

不过现在观测到的恒星,最热的星为O5,最暗的星为M5,这样O型只有6小类,M型只有5小类,暂时就只观测到61小类。

O型光谱恒星是指大于太阳质量20~150倍以上的恒星,呈现蓝色,其表面温度达到25000~55000K,绝对亮度是太阳的20万~500万倍。这种巨型恒星在银河系存在很少,约占恒星总数约0.00003%左右。

M型光谱恒星是指最小的恒星红矮星,质量在太阳的0.4倍以下,最小的只有太阳质量的0.08倍,表面温度2000~3500度。这种恒星是银河系的主流恒星,占据了恒星总数约76.45%。

太阳属于G型光谱,这个光谱型恒星包括0.8~1.2倍太阳质量的恒星,呈现黄色,因此又叫黄矮星,表面温度在5000~6000度之间,在银河系约占有7.8%的比重。太阳就是一颗黄矮星,质量为1.9896*10^30千克。

恒星光谱还有一些其他的分类方法和类型,这里就不展开说了。

恒星寿命是与质量成反比的,也就是质量越大的恒星,由于其内部温度和压力极高,导致的核反应就越激烈,燃烧得就越快,消耗的燃料就越大,因此寿命就越短;反之寿命就越长。因此,科学家们通过对恒星光谱分析,得到恒星质量大小,由此又能够得到恒星寿命长短。

经过对恒星光谱里面的元素比例分析,各种元素的丰度,就可以得到恒星演化到了哪个阶段,还有多久的生存期了。这是因为恒星从一诞生,就在源源不断地进行着核聚变,使恒星元素组分不断发生变化。

因此,在恒星演化的不同阶段,光谱中的元素丰度是不一样的,通过分析恒星光谱知道了恒星各种元素的丰度,就知道了恒星演化大致到了哪个阶段,从而得出其年龄。这有点像对人类年龄的了解,医生知道了人类在什么年龄段的骨密度、机体组织状态等指标,通过看检查单化验单就大致知道这个人的年龄了。

从恒星光谱还能得到恒星与我们的距离/

从恒星光谱得到恒星与我们的距离有两个常用方法:一是通过恒星的绝对星等与目视星等换算,得出恒星距离;二是通过恒星的光谱红移量或蓝移量计算出恒星距离。

绝对星等和目视星等都是恒星亮度的衡量指标,都以数值表示,数值越大则表示越暗,反之越亮,还有负数,负得越多恒星就越亮。每一个等级亮度相差2.512倍,因此等级之间的亮度差就是2.512倍的指数。如1等星与6等星之间差5等,亮度就相差2.512的5次方倍,约为100倍。

绝对星等是恒星的绝对亮度,理论上是将恒星放在10秒差距的同一起跑线上来对比其亮度,因此绝对星等是恒星的真实亮度。秒差距是宇宙天体距离单位,1秒差距约3.26光年,10秒差距就是32.6光年。

目视星等简称视星等,是人类肉眼看到恒星亮度的感受(包括望远镜看到亮度的换算)。由于恒星有远有近,人眼看到的亮度就不能代表恒星的真实亮度,绝对亮度更大的恒星,由于距离更远,看起来会反而更暗;而绝对亮度不大的恒星,由于其距离很近,却会更亮。

比如太阳的绝对星等为4.83等,目视星等为-26.74等;天狼星A的绝对星等为1.42等,目视星等为-1.47等。从这两颗恒星的绝对星等比较,天狼星比太阳要亮300多倍,但目视亮度天狼星与太阳就完全无法比较了。

太阳巨大遥远令人无法直视,天狼星只是一颗星星,太阳的目视星等亮度比天狼星大128亿倍。这是因为太阳距离我们只有1.5亿千米,而天狼星则有8.6光年,是太阳距离的6万多倍。如果将天狼星移至太阳位置,其亮度将达到-33等,依然是太阳的300多倍。

绝对星等与视星等之间的换算关系公式为:m=M-5log(d0/d)或M=m+5log(d0/d)。前面公式是已知绝对星等换算出目视星等,后面公式是已知目视星等换算出绝对星等。式中,m表示目视星等,M表示绝对星等,d0为10秒差距(32.6光年),d为天体实际距离。

从公式里,我们还可以看出,绝对星等与目视星等的关系与距离成比例关系,这样既然从光谱类型可以得到恒星的绝对星等,又可以通过肉眼或望远镜确定恒星的视星等,就能换算出恒星与我们的实际距离了。

光谱红移或蓝移法,基于凡是以波方式运动的物体,都有一个多普勒效应。就是波源向我们靠近时,波长会被压缩缩短,频率会变高;反之波长会被拉长,频率变低。对于光波来说,红光的波长更长,篮紫光的波长更短,因此光波波源远离我们的时候,光谱线就会向红端移动;反之向蓝紫端移动。

这就叫光谱的红移和蓝移。红移说明光源正在远离我们,蓝移说明光源正在靠近我们。科学家们通过测量恒星光谱的红移或蓝移值,就能够得到这颗恒星离开或靠近我们的速度有多快。

红移和蓝移值与速度呈正比例关系,值越大,说明速度越快。

现代标准宇宙模型理论认为,宇宙正在膨胀,且各向同性,远方的星系和恒星都在远离我们而去,速度与距离成线性正比,就是越远的星系离开速度越快,发现这个规律的天文学家埃德温·哈勃创立了哈勃定律,表述为:V= H*D。

这个公式里的V表示远方星系离开我们的速度,H为哈勃常数,D为星系与我们实际距离。由此,如果从光谱红移得到恒星离开我们的速度,就能通过哈勃常数计算出恒星与我们的距离。

哈勃常数是指在百万秒差距位置,星系离开我们的速度。欧空局在2013年通过普朗克卫星测得的哈勃常数为67.80千米/秒,也就是在326万光年的地方,星系以每秒约67.8千米的速度远离我们。

这样通过红移值计算出某颗恒星离开我们的速度为每秒1000千米,根据哈勃定律,可以计算出这颗恒星距离我们为:1000/67.8*3260000≈4808万光年。

不过利用光谱红移计算距离只适用于326万光年以上的距离,因为宇宙膨胀是在大尺度范围的膨胀,在小尺度范围,宇宙膨胀效应不明显,天体主要还是受引力约束,还会相互靠近。如仙女星系与银河系就由于相互巨大引力而以每秒约300千米速度靠近,预计在30~40亿年之间会发生碰撞融合。

总之,恒星光谱是每颗恒星的指纹和身份证,其中蕴含着许多恒星信息。科学家们通过对恒星光谱的分析,就能够给每一颗恒星建立身份档案。


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