点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

天文中的“相图”

来源:光明网2020-11-17 11:08

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  相图,本质是一种参数空间分布图。它是研究物态的重要工具。如我们所熟知的,通过水的相图,可以区分水的不同状态(图1)。由于可以控制实验条件,所以可以将压强和温度构成的参数空间填满,使得相图的各个部分看起来都是连续的。

天文中的“相图”

图1. 水的相图(图源:网络)

  科学家对天体性质的探索,也和对物质性质的探索一样,是在探索天体在参数空间中的分布,这本质上就是在绘制天体的“相图”。

  天文学中最著名的相图应该是恒星的颜色-星等图,即所谓赫罗图(图2是Gaia卫星给出的赫罗图)。从赫罗图上的恒星分布我们知道了大部分恒星位于一条主序带上,还有一些恒星离开了主序,分布在红巨星分支、水平分支等位置。从这些位置的恒星数量我们可以大致估计恒星待在这些位置的时间长度的比例。因为主序上恒星数量众多,根据“数量比”我们知道恒星大部分时间待在主序上。也就是说,恒星的光度和温度基本恒定,这也是“恒”的其中一层意思。

  早前,人类观测到的恒星较少时,赫罗图上的一些结构不太明显,比如白矮星序列。而在Gaia发布的赫罗图中,白矮星序列已经非常明显了。

天文中的“相图”

图2. Gaia卫星发布的赫罗图(图源:Gaia卫星)

  恒星还有其他物理量,所以也可以有其他相图,比如质量-半径图。

  质量-半径图是研究致密星物态的重要工具(图3)。白矮星和中子星是两种致密星,在质量差不多的情况下,中子星的半径大约比白矮星小一千倍。这两种致密星的特点都是质量越大半径越小,一个推论就是,这两种致密星都有质量上限,当质量增大到某个值,引力就太强了,它们必然会塌缩。

天文中的“相图”

图3. 致密星的质量半径关系(图源:Steiner et al. 2013, ApJ, 765, L5)

  超过质量极限的白矮星有可能变成中子星,而根据现在的理论,超过质量极限的中子星只能塌缩成黑洞。也有理论认为,致密星中有一些是夸克星。这种星的质量-半径关系和中子星不同,所以在图3中占据了不同的区域。未来的观测或许会发现这个区域的天体,那样就能证实夸克星的理论了。

  中子星中有一部分是脉冲星,这是一种快速转动并且从两极发出射电辐射的中子星。脉冲星有两个重要物理量,一个是周期,另一个是周期的变化率。周期-周期变化率图就是脉冲星的相图。

天文中的“相图”

图4. 脉冲星的周期-周期变化率图(图源:NRAO)

  从图4中可以区分出通常的脉冲星、毫秒脉冲星和磁场特别强的磁星。

  和恒星一样,行星、卫星和矮星系也是有明确定义的天体,质量-半径图也可以用作这些天体的相图,从质量-半径图可以区分类地行星和类木行星。不过现在对系外行星的测量还没有太阳系行星那么精确。

  对于行星,还有一种有用的相图,就是行星围绕的恒星的温度和行星距离恒星的距离组成的相图,从这种图上可以看出什么范围的行星表面是否可能有液体水,这个范围就是所谓宜居带(图5)。

天文中的“相图”

图5. 系外行星系统的宜居带(图源:Chester Haiman)

  宇宙中的其他天体没有恒星和行星这么明确的定义,例如分子云、星系。相对而言,星系还有一些较好的相图,比如用于选择活动星系的BPT图,这是一种发射线的线强比图。但分子云到目前还没有特别好的相图,因为分子云是一种比较弥散的星际介质云,没有明确的边界,有些物理量也测得不精确。

  不过,随着我们对天体认识越来越深入,对物理量的测量越来越精确,图上的点越来越多,现在看来不太像相图的那些相关关系或许有一天就会变成赫罗图那样的天体“相图”。

  作者简介:钱磊,中科院国家天文台副研究员。2009年至今在中国天眼FAST工程工作。在大科学装置调试期间,负责FAST的观测规划和数据格式转换等工作,期间参与发现了一批脉冲星,包括FAST首颗脉冲星。2018年入选中国科学院青年创新促进会,2019年获“北京青年优秀科技论文”一等奖。

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

独家策划

推荐阅读
科学家绘制出了人体前额叶皮层脑区的已知最大规模基因表达图谱。这些研究进一步阐释了前额叶皮层脑区在生命不同阶段的发育情况,有望用于研究衰老、认知衰退和疾病易感性。在第二篇发表于《自然》论文中,西奈山伊坎医学院的Donghoon Lee和同事报道了一个与脑疾病相关的基因表达变化图谱。
2026-09-29 09:39
纤维的材料层次、器件结构和电路互连随成形过程共同建立起来,让纤维本身成为电路。另一组实验中,研究团队利用纤维组成的柔性交互界面及配套系统,实现了手指对机械臂和无人机的非接触控制。
2026-09-29 09:39
(记者王政)工业和信息化部等7部门28日联合印发《新型电池产业发展“十五五”规划》,提出到2030年,我国新体系电池研发取得重大进展,全固态电池初步实现规模化应用。
2026-09-29 09:40
记者李春剑从中国计量科学研究院获悉,近日,国际计量局(BIPM)的全球卫星导航系统(GNSS)时间传递标准首次在中国完成北斗关键参数的标校与比对验证。随着北斗时间传递链路校准、监测评估和国际互认体系持续完善,北斗将进一步为全球用户提供更加准确、可信的授时服务。
2026-09-29 09:39
近期,国务院印发《全民健身计划(2026—2030年)》,对“十五五”时期推动全民健身事业高质量发展作出部署。国际体育医学期刊《运动医学》指出,抗阻训练较常出现不适或损伤的部位主要集中在肩部、腰背部和膝部。
2026-09-29 09:37
全国科普月不仅是科普服务的集中推出期,更是营造爱科学、学科学浓厚社会氛围的重要契机。期待科普之翼越来越有力,把科学“种”进更多人心田。
2026-09-28 09:49
作为一线科技工作者,我觉得应该肩负起向公众传播科学知识、科学方法、科学思维和科学精神的社会使命。这是历史赋予我们的责任和义务,科学家应该将所学回馈社会。
2026-09-28 09:44
研究团队借助这套气体观测数据,首次定量证实:星团内接连发生的超新星爆发,持续输入的动能足以长期维持星系湍流。
2026-09-28 09:42
23日至27日,以“在数贸会遇见AI未来”为主题的第五届全球数字贸易博览会在浙江杭州国际博览中心举办。
2026-09-28 09:34
9月25日晚,皓月当空,海南科技馆外的人工湖边人头攒动。孩子们有序凑到天文望远镜前,凝神细看,月球表面深浅交错的环形山与陨石坑清晰映入眼帘。
2026-09-28 09:21
全球老龄化加速,如何延长健康寿命,成为生命科学研究领域最紧迫的课题之一。诸多抗衰老策略中,营养干预被认为最现实。已有研究表明,减少饮食中蛋白质的摄入,能延长酵母、果蝇和小鼠等模式生物的寿命。
2026-09-24 09:41
作为射电天文领域的国之重器,中国天眼(FAST)不断将我们的视野推向宇宙更深处,在脉冲星、快速射电暴、中性氢宇宙等前沿领域,一次又一次刷新着人类对于宇宙的认知。
2026-09-24 09:34
我国研究团队利用“天关”卫星(爱因斯坦探针卫星)与高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)的联合观测,在一颗距离地球约4600光年的脉冲星周围发现一条此前未被完整看到的超长X射线尾迹。
2026-09-24 09:30
国家统计局数据显示,在消费品以旧换新等政策利好下,节能家电、智能家居等越来越受到消费者的青睐。智能家居的终极目标,不是堆砌多少高科技设备,而是让人的生活更便利、更幸福。
2026-09-24 09:26
在中国科学院院士、中国工程院院士李德仁看来,不仅要星与星互联,还要把通信、导航、遥感、算力四种异构卫星“联”成一体。
2026-09-24 09:28
9月23日,当太阳行至黄经180度时,我们迎来二十四节气中的第十六个节气——秋分。
2026-09-23 09:19
实施藏粮于地、藏粮于技战略并非抽象概念,它实实在在体现在产量、装备和技术水平的变化里。
2026-09-23 09:14
一只烂苹果长出小蘑菇,竟一路“走”向太空育种;一辆由大学生制造组装的方程式赛车,让围观者眼里放光;一台智能交作业提醒机,出自中小学生之手……这些都是发生在2026年全国科普月活动上的真实片段。
2026-09-23 08:56
油炸薯条、烘焙咖啡等食品,日常生活中很常见,但高温加工过程会产生丙烯酰胺,这是一种需要加以控制的污染物。
2026-09-23 08:55
在自然灾害面前,我们需要确保两个“安全”——生命安全和财产安全。如何最大限度减少人员伤亡和财产损失,一直是我国防灾减灾救灾工作的重点。
2026-09-23 08:53
加载更多