天文中的“相图”

　　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。

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。

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。

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。

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）。

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。