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 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 2026世界互联网大会数字丝路发展论坛剪影

  • “冰城夏都”活力涌动 多彩文旅解锁清凉盛夏

独家策划

推荐阅读
7月22日,美国佛蒙特大学研究团队在《自然》杂志发表论文称,他们在北美鲶鱼体内发现一种可传染的黑色素瘤。换言之,肿瘤细胞本身就是“感染因子”,如同寄生虫一般,从一条鱼传到另一条鱼。这些带病的鲶鱼,正为科学界提供一个观察癌症演化的难得机会。
2026-07-23 09:57
《自然》杂志22日发表了一项天文学研究,可能揭示了人类对首个已知的系外卫星(exosatellite)的观测。在三层等级系统中,一颗恒星周围有一颗伴星,如行星或褐矮星,而第三个天体围绕伴星,这第三个天体可称为系外卫星。
2026-07-23 09:57
生物腐烂是生态系统养分循环的关键过程,但腐烂区域同时也是病原微生物高度活跃、可能对活体植物造成侵害的“危险区”。
2026-07-23 09:49
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上的讲话中指出,“科学的未来在青年”,强调“要把青年科技人才队伍建设作为一项战略工程,全方位做好培养、引进、使用工作”。
2026-07-23 09:49
黄瓜是受到全球广泛喜爱的蔬菜,它源自喜马拉雅山脉南麓,由其野生祖先驯化而来,历经2000余年的传播扩散,遍布世界。中国科学院院士、崖州湾国家实验室副主任钱前评价,该研究为黄瓜分子设计育种提供了坚实支撑,兼具重要基础科学价值与育种应用前景。
2026-07-23 09:48
中国水稻研究所研究员王克剑团队近日在杂交水稻育种领域取得重要进展——成功研发出克隆效率稳定超过99%、结实完全正常的一系法杂交水稻,团队将其命名为“一系1号”。图为团队创制的无融合生殖株系在试验田大群体种植下表现出的克隆效率与结实率情况。
2026-07-22 09:35
今年新增农业机器人、盐碱地科学与工程、智慧渔业三大新农科专业,分别由江苏大学、山东农业大学、宁波大学首批开设,为涉农人才培养开辟了新跑道。
2026-07-22 09:31
这场举世瞩目的盛会,凝聚共识,密集发布国际合作倡议与行动计划,为促进全球人工智能朝着向上向善、造福人类的方向发展注入了更多新动能。
2026-07-22 09:29
虽然现阶段机器人能做的事还很有限,但这种“人机搭档”的新模式,让我们的生活服务向高品质、多样化和便利化发展。我想,这就是科技落地的意义吧。
2026-07-22 09:28
重离子加速器是探索基本相互作用、物质结构和宇宙演化的重要工具,研究中产生的新知识、技术和方法被广泛应用于航天、医疗、农业等多个领域。
2026-07-22 09:26
无法驶出的化肥运输船,迟迟不散的热浪,突然生效的出口禁令……近期,一系列事件叠加,或许正给全球粮食安全带来显著不确定性。
2026-07-21 03:40
拔尖创新人才作为国家战略科技力量的核心支撑,其培育成效直接关系到高水平科技自立自强的进程。科学教育是拔尖创新人才培养的基础工程,必须把握青少年成长的关键期,构建全链条、一体化的科学教育新生态,推动教育、科技、人才深度融合,为强国建设筑牢人才根基。
2026-07-21 03:40
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革,正深刻重塑产业形态与劳动方式,职业教育作为对接产业最紧密的教育类型,面临的根本性问题已不再是如何培养标准化、重复性的熟练操作者,而是要回答人机协同时代究竟需要什么样的高技能人才。
2026-07-21 03:40
暑假已至,以中小学生为主力的研学游市场持续升温。外出研学已成为不少中小学生家庭的假期常规安排。家长往往将研学活动视作教育由家庭、学校向社会课堂的延伸,是学校教育的重要补充。
2026-07-21 03:40
毕业论文AI率检测,已成为无数大学毕业生关心的热点话题。AI工具引发的学术不端如何界定?为规避高AI率而拆解论文、打乱表达的无奈如何化解?AI检测产品缺少国家标准、质量参差不齐的困局如何突破?这些追问,热度居高不下,答案却远未清晰。
2026-07-21 03:40
未来产业是重塑全球技术竞争格局和引领全球经济变迁的重要力量,“十五五”规划纲要对“培育壮大新兴产业和未来产业”作出系统部署。
2026-07-21 03:40
当前,全球能源转型加速推进,海洋能正处在由技术探索迈向规模化应用的关键阶段。准确把握发展形势与现实基础,对于我国海洋能发展具有重要意义。
2026-07-20 10:00
如何破解制约早期科技成果转化的瓶颈?加强国家技术转移体系建设,培养一批全链条参与成果转化的技术经理人迫在眉睫。
2026-07-20 04:20
今年7月,全球人工智能治理的讨论在短短几天内完成了一次耐人寻味的“接力”。从在日内瓦举行的联合国人工智能治理全球对话、“人工智能向善”全球峰会,再到在上海举办的2026世界人工智能大会暨人工智能全球治理高级别会议,来自政府、国际组织、企业和学术界的讨论都聚焦于同一个问题:面对快速发展的人工智能,国际社会如何把已有的治理理念真正转化为国际合作行动?
2026-07-20 04:20
中国农业科学院和中国农业绿色发展研究会18日在北京发布《中国农业绿色发展报告2025》。报告显示,我国农业绿色发展水平持续向好,农业绿色发展机制创新不断拓展,理论研究与技术突破协同发力,区域农业绿色发展实践走深走实。
2026-07-20 04:20
加载更多