Wie man die Masse eines Sterns herausfindet

Fast alles im Universum hat Masse, von Atomen und subatomaren Partikeln (wie die vom Large Hadron Collider untersuchten) bis hin zu riesigen Galaxienhaufen. Die einzigen Dinge, die Wissenschaftler bisher wissen, die keine Masse haben, sind Photonen und Gluonen. 

Masse ist wichtig zu wissen, aber Objekte am Himmel sind zu weit entfernt. Wir können sie nicht anfassen und wir können sie sicher nicht mit herkömmlichen Mitteln wiegen. Wie bestimmen Astronomen die Masse der Dinge im Kosmos? Es ist kompliziert. 

Sterne und Masse

Angenommen, ein typischer Stern ist ziemlich massereich, im Allgemeinen viel mehr als ein typischer Planet. Warum kümmert es sich um seine Masse? Diese Informationen sind wichtig zu wissen, da sie Hinweise auf die evolutionäre Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft eines Sterns liefern.

Astronomen, die das Hubble-Weltraumteleskop verwendeten, identifizierten neun Monstersterne mit einer Masse, die mehr als das 100-fache der Sonnenmasse beträgt. Sie liegen im Sternhaufen R136 in der nahe gelegenen Großen Magellanschen Wolke. Masse ist ein wichtiges Merkmal, wenn es darum geht, die Lebensspanne von Sternen zu bestimmen. NASA / ESA / STScI

Astronomen können verschiedene indirekte Methoden verwenden, um die Sternmasse zu bestimmen. Eine Methode, die als Gravitationslinsen bezeichnet wird, misst den Lichtweg, der durch die Schwerkraft eines nahe gelegenen Objekts gebogen wird. Obwohl das Ausmaß der Biegung gering ist, können sorgfältige Messungen die Masse der Schwerkraft des zu ziehenden Objekts aufdecken.

Typische Sternmassenmessungen

Es dauerte bis zum 21. Jahrhundert, bis Astronomen Gravitationslinsen zur Messung von Sternmassen einsetzten. Zuvor mussten sie sich auf Messungen von Sternen stützen, die einen gemeinsamen Massenschwerpunkt, sogenannte Doppelsterne, umkreisen. Die Masse der Doppelsterne (zwei Sterne, die einen gemeinsamen Schwerpunkt umkreisen) ist für Astronomen recht einfach zu messen. Tatsächlich bieten Mehrsternsysteme ein Lehrbuchbeispiel dafür, wie man ihre Massen herausfindet. Es ist ein bisschen technisch, aber es lohnt sich zu studieren, um zu verstehen, was Astronomen zu tun haben.

Ein Hubble-Weltraumteleskopbild von Sirius A und B, einem 8,6 Lichtjahre von der Erde entfernten Binärsystem. NASA / ESA / STScI

Zunächst messen sie die Umlaufbahnen aller Sterne im System. Sie messen auch die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne und bestimmen dann, wie lange ein bestimmter Stern benötigt, um eine Umlaufbahn zu durchlaufen. Das nennt man seine "Umlaufzeit". 

Masse berechnen

Sobald all diese Informationen bekannt sind, führen die Astronomen einige Berechnungen durch, um die Massen der Sterne zu bestimmen. Sie können die Gleichung V verwenden_Orbit = SQRT (GM / R) wo SQRT ist "Quadratwurzel" a, G ist die Schwerkraft, M ist Masse und R ist der Radius des Objekts. Es ist eine Frage der Algebra, die Masse herauszufiltern, indem die zu lösende Gleichung neu geordnet wird M. 

Ohne jemals einen Stern zu berühren, verwenden Astronomen die Mathematik und die bekannten physikalischen Gesetze, um seine Masse zu bestimmen. Sie können dies jedoch nicht für jeden Stern tun. Andere Messungen helfen ihnen, die Massen für Sterne herauszufinden nicht in binären oder Mehrsternsystemen. Beispielsweise können sie Leuchtstärken und Temperaturen verwenden. Sterne unterschiedlicher Leuchtkraft und Temperatur haben sehr unterschiedliche Massen. Diese Informationen zeigen, wenn sie in einem Diagramm dargestellt sind, dass Sterne nach Temperatur und Leuchtkraft angeordnet werden können.

Wirklich massive Sterne gehören zu den heißesten im Universum. Sterne mit geringerer Masse wie die Sonne sind cooler als ihre riesigen Geschwister. Das Diagramm der Sternentemperaturen, -farben und -helligkeiten wird als Hertzsprung-Russell-Diagramm bezeichnet und zeigt per Definition auch die Masse eines Sterns an, je nachdem, wo er auf dem Diagramm liegt. Wenn es entlang einer langen, gewundenen Kurve liegt, die als Hauptsequenz bezeichnet wird, dann wissen die Astronomen, dass seine Masse weder gigantisch noch klein sein wird. Die Sterne mit der größten Masse und der kleinsten Masse fallen außerhalb der Hauptsequenz.

Diese Version des Hertzprung-Russell-Diagramms zeichnet die Temperaturen von Sternen gegen ihre Leuchtkraft auf. Die Position eines Sterns im Diagramm gibt Auskunft darüber, in welchem ​​Stadium er sich befindet, sowie über seine Masse und Helligkeit. Europäische Südsternwarte

Stellare Evolution

Astronomen haben einen guten Überblick darüber, wie Sterne geboren werden, leben und sterben. Diese Abfolge von Leben und Tod wird "Sternevolution" genannt. Der größte Prädiktor für die Entwicklung eines Sterns ist die Masse, mit der er geboren wurde, seine "ursprüngliche Masse". Sterne mit geringer Masse sind im Allgemeinen kühler und dunkler als ihre Gegenstücke mit höherer Masse. Wenn Astronomen also einfach die Farbe, die Temperatur und den Ort eines Sterns im Hertzsprung-Russell-Diagramm betrachten, können sie sich einen guten Überblick über die Masse eines Sterns verschaffen. Vergleiche von ähnlichen Sternen bekannter Masse (wie die oben erwähnten Binärdateien) geben Astronomen eine gute Vorstellung davon, wie massereich ein bestimmter Stern ist, auch wenn es sich nicht um eine Binärdatei handelt.

Natürlich behalten Sterne nicht ihr ganzes Leben lang die gleiche Masse. Sie verlieren es, wenn sie älter werden. Sie verbrauchen nach und nach ihren Kernbrennstoff und erleiden am Ende ihres Lebens riesige Massenverluste. Wenn sie Sterne wie die Sonne sind, blasen sie sie sanft ab und bilden (normalerweise) planetarische Nebel. Wenn sie viel massereicher sind als die Sonne, sterben sie bei Supernova-Ereignissen, bei denen die Kerne zusammenbrechen und sich dann in einer katastrophalen Explosion nach außen ausdehnen. Das bringt einen Großteil ihres Materials in den Weltraum.

Zusammengesetztes Bild des Krebsnebels, ein Überrest einer Supernova, der den Tod eines sehr massereichen Sterns ankündigte. NASA / ESA / ASU / J. Hester & amp; A. Loll

Durch Beobachtung der Arten von Sternen, die wie die Sonne sterben oder in Supernovae sterben, können Astronomen ableiten, was andere Sterne tun werden. Sie kennen ihre Massen, sie wissen, wie sich andere Sterne mit ähnlichen Massen entwickeln und sterben, und so können sie einige ziemlich gute Vorhersagen treffen, die auf Beobachtungen von Farbe, Temperatur und anderen Aspekten basieren, die ihnen helfen, ihre Massen zu verstehen.

Das Beobachten der Sterne ist viel mehr als das Sammeln von Daten. Die Informationen, die Astronomen erhalten, sind in sehr genaue Modelle zusammengefasst, mit deren Hilfe sie genau vorhersagen können, was die Sterne in der Milchstraße und im gesamten Universum tun, wenn sie geboren werden, altern und sterben, basierend auf ihrer Masse. Letztendlich helfen diese Informationen den Menschen auch dabei, mehr über Sterne zu verstehen, insbesondere über unsere Sonne.

Kurzinformation

• Die Masse eines Sterns ist ein wichtiger Prädiktor für viele andere Merkmale, einschließlich der Lebensdauer.
• Astronomen verwenden indirekte Methoden, um die Masse der Sterne zu bestimmen, da sie diese nicht direkt berühren können.
• Normalerweise leben massereichere Sterne kürzer als weniger massive. Dies liegt daran, dass sie ihren Kernbrennstoff viel schneller verbrauchen.
• Sterne wie unsere Sonne haben eine mittlere Masse und enden auf ganz andere Weise als massive Sterne, die sich nach einigen zehn Millionen Jahren selbst in die Luft sprengen.