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一张图上可以寻迹恒星的身世?话说恒星② | 观天者说

2019-05-20 18:32 来源:光明网 
2019-05-20 18:32:52来源:光明网作者:责任编辑:蔡琳

  大家好,我是国家天文台邓李才,今天接着和大家聊恒星的话题。

  说到恒星,就离不开一张图:赫罗图。这张图是整个天体物理中最最重要的那一张!我想这应该是天文学家们的共识。

  什么是赫罗图呢?非常简单,这是由两名天文学家首先表述出来的。一位是丹麦天文学家赫茨普龙(Ejnar Hertzsprung),另一位是美国天文学家罗素(Henry Russell)。那么这又是怎样的一张图呢?这就需要从对恒星的观测说起了。

一张图上可以寻迹恒星的身世?话说恒星② | 观天者说

图注:发明赫罗图的天文学家。左图是丹麦的赫茨普龙,右图为美国的罗素

  面对满天的星斗,包括这两位在内的古人直接感受是星星有明有暗。明暗的问题,他们的前人在定义星等的时候已经搞清楚了。仰望星空的人如果稍微再仔细一点,还可以看到星星有不同的颜色。

  在20世纪初,拍摄恒星的光谱已经不是什么难事。把直接感受到的颜色和光谱联系起来,比如光谱中红的成分与蓝的成分强度的差别,可以量化恒星的颜色。当然,更加技术化的手段是分析光谱中那些暗线,这里就不细说了。

  赫茨普龙和罗素都干了什么呢?简单地说,他们把恒星的明暗指标作为纵轴,把恒星的颜色指标作为横轴画图。然后他们发现恒星在这个图上的排列非常有规律,比如下面的赫罗图,左图是罗素论文中的截图,右图是现代版的赫罗图。

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图注:左图是罗素论文中的截图,右图是现代版的赫罗图。在右图中,太阳的演化轨迹(1)横轴表示温度(数字)或颜色(光谱型),纵轴表示光度,对数坐标以太阳的光度为单位。从左上到右下为主序,绝大部分恒星都处于这个序列上。主序从下到上为恒星质量增大的方向。白色曲线表示太阳从形成到死亡演化的轨迹。右图来源:NASA,http://chan-dra.harvard.edu/graphics/edu/formal/variable_stars/evolutionary_track.jpg

  恒星在赫罗图中排布的规律显示了恒星演化的大图像,直观而且准确。大约有80%-90%的恒星处于这个图的对角线的一条带上,也就是亮度高、颜色偏蓝的左上角,向低温、颜色红的右下角。这个带被天文学家叫做主序带,简称主序。

  为什么说赫罗图揭示了恒星演化的大图像呢?如果对赫罗图做一些简单的、常识性的转换,就可以帮助大家去理解赫罗图和恒星。我们都知道,用地球上可以实现的手段,比如煤炉,我们可以大概根据燃烧体的颜色判断温度:偏蓝的温度燃烧体比偏红的温度更高些。所以,赫罗图的横轴蓝段是高温,而红段是低温。

  当然这可以定量的来描述,也就是说可以用使用温度作为横轴。而纵轴常常使用的是量度恒星明亮程度的星等,而亮度说的是发射能量的强度,那么我们可以用单位时间辐射的总能量表述。通常我们都用对数值来画图。

  另外一个常识是:对具有相同温度的煤炉,炉膛越大,是不是辐射的能量就多呢?当然如果炉膛的温度越高,那么同等大小的煤炉辐射的能量就高一些。这个道理在物理上有一个定律叫做斯特凡-玻尔兹曼定律,说的就是这个事儿。

  对恒星,大小当然就决定了辐射能量的多少,同理温度高低也起这个作用。于是,从赫罗图里恒星的相对位置,我们就可以判断其大小。赫罗图揭示了的恒星大图像,那么恒星是怎样演化的,我们下次接着再聊。

  主讲人简介:邓李才,中国科学院国家天文台研究员,恒星与恒星系统研究团组首席科学家,主要研究领域为恒星物理。

[责任编辑:蔡琳]

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