Bijna alles in het universum heeft massa, van atomen en subatomaire deeltjes (zoals die bestudeerd door de Large Hadron Collider) naar gigantische clusters van sterrenstelsels. Het enige wat wetenschappers tot nu toe weten zonder massa is fotonen en gluonen.
Massa is belangrijk om te weten, maar objecten in de lucht zijn te ver weg. We kunnen ze niet aanraken en we kunnen ze zeker niet met conventionele middelen wegen. Dus, hoe bepalen astronomen de massa van dingen in de kosmos? Het is ingewikkeld.
Stars and Mass
Neem aan dat a typische ster is behoorlijk massief, over het algemeen veel meer dan een typische planeet. Waarom de massa belangrijk vinden? Die informatie is belangrijk om te weten omdat het onthult aanwijzingen over het evolutionaire verleden, heden en de toekomst van een ster.
Astronomen kunnen verschillende indirecte methoden gebruiken om de stellaire massa te bepalen. Een methode genaamd zwaartekrachtlensingmeet het lichtpad dat wordt gebogen door de zwaartekracht van een dichtbijgelegen object. Hoewel de hoeveelheid buiging klein is, kunnen zorgvuldige metingen de massa van de zwaartekracht van het object dat aan het trekken is, onthullen.
Typische metingen van stermassa's
Het kostte astronomen tot de 21e eeuw om gravitatielensing toe te passen op het meten van sterrenmassa's. Voordien moesten ze vertrouwen op metingen van sterren in een baan rond een gemeenschappelijk massacentrum, de zogenaamde dubbelsterren. De massa van dubbelsterren (twee sterren rond een gemeenschappelijk zwaartepunt) is voor astronomen vrij eenvoudig te meten. In feite zijn meerdere sterrenstelsels een schoolvoorbeeld van hoe ze hun massa kunnen achterhalen. Het is een beetje technisch, maar het bestuderen waard om te begrijpen wat astronomen moeten doen.
Ten eerste meten ze de banen van alle sterren in het systeem. Ze klokken ook de baansnelheden van de sterren en bepalen vervolgens hoe lang het duurt voordat een bepaalde ster door een baan gaat. Dat wordt de 'baanperiode' genoemd.
Massa berekenen
Zodra al die informatie bekend is, doen astronomen een aantal berekeningen om de massa's van de sterren te bepalen. Ze kunnen de vergelijking V gebruikenbaan = WORTEL (GM / R) waar WORTEL is "vierkantswortel" a, G is zwaartekracht, M is massa, en R is de straal van het object. Het is een kwestie van algebra om de massa te plagen door de vergelijking opnieuw op te lossen M.
Dus zonder ooit een ster aan te raken, gebruiken astronomen wiskunde en bekende natuurkundige wetten om de massa ervan te achterhalen. Ze kunnen dit echter niet voor elke ster doen. Andere metingen helpen hen de massa voor sterren te achterhalenniet in binaire of meersterrenstelsels. Ze kunnen bijvoorbeeld helderheid en temperaturen gebruiken. Sterren met verschillende lichtsterktes en temperaturen hebben enorm verschillende massa's. Die informatie toont, wanneer ze in een grafiek zijn uitgezet, dat sterren kunnen worden gerangschikt op temperatuur en helderheid.
Echt zware sterren behoren tot de heetste in het universum. Sterren met een kleinere massa, zoals de zon, zijn koeler dan hun gigantische broers en zussen. De grafiek van stertemperaturen, kleuren en helderheid wordt de Hertzsprung-Russell Diagram, en per definitie toont het ook de massa van een ster, afhankelijk van waar het op de kaart ligt. Als het langs een lange, bochtige bocht ligt, de zogenaamde Hoofdreeks, dan weten astronomen dat de massa niet gigantisch zal zijn en ook niet klein. De sterren met de grootste massa en de kleinste massa vallen buiten de hoofdreeks.
Stellaire evolutie
Astronomen weten goed hoe sterren worden geboren, leven en sterven. Deze opeenvolging van leven en dood wordt 'stellaire evolutie' genoemd. De grootste voorspeller van hoe een ster zal evolueren is de massa waarmee het geboren is, zijn "initiële massa". Sterren met een lage massa zijn over het algemeen koeler en zwakker dan hun hogere massa tegenhangers. Dus door simpelweg te kijken naar de kleur, temperatuur en waar deze van een ster in het Hertzsprung-Russell-diagram "leeft", kunnen astronomen een goed idee krijgen van de massa van een ster. Vergelijkingen van vergelijkbare sterren met een bekende massa (zoals de hierboven genoemde binaire bestanden) geven astronomen een goed idee van hoe massief een bepaalde ster is, zelfs als deze geen binair getal is.
Natuurlijk houden sterren niet hun hele leven dezelfde massa. Ze verliezen het naarmate ze ouder worden. Ze verbruiken geleidelijk hun splijtstof en ervaren uiteindelijk enorme afleveringen van massaverlies bij de einde van hun leven. Als het sterren zijn zoals de zon, blazen ze het voorzichtig weg en vormen ze (meestal) planetaire nevels. Als ze veel zwaarder zijn dan de zon, sterven ze bij supernova-gebeurtenissen, waarbij de kernen instorten en vervolgens naar buiten uitzetten in een catastrofale explosie. Dat schiet veel van hun materiaal de ruimte in.
Door de soorten sterren te observeren die sterven zoals de zon of sterven in supernovae, kunnen astronomen afleiden wat andere sterren zullen doen. Ze kennen hun massa, ze weten hoe andere sterren met een vergelijkbare massa evolueren en sterven, en dus kunnen ze er mooie maken goede voorspellingen, gebaseerd op waarnemingen van kleur, temperatuur en andere aspecten die hen helpen hun te begrijpen massa.
Het observeren van de sterren is veel meer dan het verzamelen van gegevens. De informatie die astronomen krijgen, is gevouwen in zeer nauwkeurige modellen die hen helpen precies te voorspellen wat sterren in de Melkweg en in het hele universum zullen doen wat ze worden geboren, ouder worden en sterven, allemaal gebaseerd op hun massa. Uiteindelijk helpt die informatie mensen ook om meer over sterren, met name onze zon, te begrijpen.
Snelle feiten
- De massa van een ster is een belangrijke voorspeller voor veel andere kenmerken, waaronder hoe lang hij zal leven.
- Astronomen gebruiken indirecte methoden om de massa van sterren te bepalen, omdat ze ze niet rechtstreeks kunnen aanraken.
- Doorgaans hebben meer massieve sterren een kortere levensduur dan de minder zware. Dit komt omdat ze hun splijtstof veel sneller verbruiken.
- Sterren zoals onze zon hebben een gemiddelde massa en eindigen op een heel andere manier dan massieve sterren die zichzelf na enkele tientallen miljoenen jaren opblazen.