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

  • 第140届广交会第一期线下展:18.9万名境外采购商到会

  • 《长征专题书目(1936—2026)》出版发行

独家策划

推荐阅读
智能科技是当前最具革命性、引领性的科技前沿,是推动新质生产力质态变革的关键力量,它不仅表现为技术层面的迭代,更体现为生产方式、产业形态和价值创造模式的系统性重构,并推动形成智能经济新形态。
2026-10-20 10:00
推进全球人工智能伦理治理,必须坚持“以人为本、向上向善”,以增进全人类共同福祉为根本目标,从技术普惠、精准治理、多元参与和全球共治四个方面协同推进,构建发展机会均等、权责边界清晰、国际协同高效的治理秩序。
2026-10-20 09:59
人民健康是民族昌盛和国家强盛的重要标志,也是中国式现代化行稳致远的根基所在。时隔十年,2026年10月,全国卫生与健康大会再次召开。回望十载征途,健康中国已从宏伟蓝图,化作大江南北触手可及的民生福祉。
2026-10-20 09:58
自然如何不被贫困“吞噬”,跨境之痛如何共担,资金如何流向正确方向——16日在亚美尼亚首都埃里温举行的生物多样性领导人峰会,就这三个问题向《生物多样性公约》第十七次缔约方大会(COP17)正式谈判传递出三个诉求:把自然保护纳入安全议程,让全球目标回应区域现实,让资金和措施真正到位。
2026-10-20 09:57
生产要素创新性配置,推动资源治理由技术优化向制度协调延伸。算电协同、算水协同揭示的资源逻辑,是技术创新改变资源利用方式、要素创新性配置提升系统效能、产业转型升级实现综合价值的有机统一。
2026-10-20 09:55
围绕“科学作为全球公共产品”“负责任的人工智能应对全球挑战”“科学、社会与信任”三大议题开展对话交流
2026-10-20 08:58
2026国际科学理事会中期会员大会暨北京科学对话由国际科学理事会主办,中国科学技术协会、中国科学院、中国社会科学院、北京市人民政府共同举办
2026-10-20 08:29
城市是人民美好生活的载体,人民群众是城市建设的主体和城市发展的动力源泉。
2026-10-19 09:32
当你出门后,扫地机器人根据你的清洁习惯自己排定工作时间、规划好路线;自研的快充技术,让它边充边扫、无限续航。这个颇具科幻意味的场景,已被第140届中国进出口商品交易会(广交会)上的一款产品实现。
2026-10-19 09:35
“可信工具”这一重要提法精准抓住了人工智能发展的一个根本问题:我们不能只问人工智能是不是更聪明、更高效、更强大,还要追问它是否真正可信。
2026-10-19 09:31
让从农田到餐桌的全过程均有标准可依,并积极推广应用食品数字标签,让食品信息获取更便捷高效。
2026-10-19 09:18
推动卫生与健康事业高质量发展,不断提高人民健康水平,确保健康中国建设取得决定性进展。
2026-10-19 09:16
当前全球生态环境挑战日益严峻,科技创新是应对可持续发展挑战的核心力量。
2026-10-16 16:29
10月16日是第四十六个世界粮食日,所在周是全国粮食安全宣传周,主题为“创新当下,粮安未来”。从良种选育、智能农机到数字农业、精准储运,创新正成为粮食增产、节粮减损、营养提升的关键引擎。即日起,光明网联合科普中国推出系列科普视频,深入解读科技创新绘就的粮安答卷。
2026-10-16 08:46
在显示技术升级与人工智能赋能的双重驱动下,行业正跳出传统数字阅读的固有边界
2026-10-16 08:45
打造集技术研发、模型训练、系统验证及场景测试于一体的创新基地,推动人形机器人及具身智能技术从实验室研发阶段走向大规模产业应用。
2026-10-16 08:39
工业和信息化部、中央网信办、市场监管总局高度重视,在前期调查工作基础上,成立联合调查组开展核查,并依法依规处理。有关情况将及时公布。
2026-10-16 08:40
大会延续“零碳·科技”永久主题,以“智储新程 绿动全球”为年度主题
2026-10-16 08:35
“戈壁荒滩老风口,飞沙走石雁不留。托里县老风口蝶变的三部曲,为生态脆弱地区推动高质量发展、树立和践行正确政绩观,提供了深刻启示。树立和践行正确政绩观,就要算大账、算长远账、算整体账,既做显功、也做潜功,把生态优势转化为发展优势、民生福祉。
2026-10-15 09:51
常压下,水到0℃会结冰,这就是人们熟悉的相变,0℃即是相变的临界点。两篇论文的共同通讯作者、宁波东方理工大学助理教授余雪佳,把这个难题比作“在沸水中完好保存一件冰雕”。
2026-10-15 09:49
加载更多