科学家怎么知道恒星直径(科学家如何测量系外恒星直径)

大家好,不知不觉我们的【科学有道理】栏目已经推出了好多期,越来越接近尾声了。在这一档栏目中,我们尽量用简单的语言,来向大家介绍科学家们研究系外天体的方法,好让大家明白,科学家给出的数据都是有理有据,并非瞎编的。

上一期,我们讲的是测量系外恒星质量的方法,并且留了一个话题,就是测量系外恒星的直径。大家会发现,我们中间隔了好几天,今天才终于继续介绍。这期间除了筹备【太空电梯】和【宇宙出生日记】两大栏目之外,也有恒星直径测量方法很难通俗化的因素在里面。所以,如果我今天说的有点“不是人话”,大家就权且当作“人话”听吧。

首先,咱们从好理解的一种开始说。

科学家怎么知道恒星直径(科学家如何测量系外恒星直径)(1)

  • 光度法

从常识来理解,一颗恒星越大,它就越亮,也越重。这个常识,其实放在宇宙里并不准确,但是在某些情况下,还是适用的。

比如天狼星,也就是夜空中最亮的恒星。通过已有的方法,我们是可以量化天狼星的亮度的,那就是绝对星等(这个就不再介绍了,想了解的请移步到前面的文章),是1.4等。而太阳的绝对星等,也是可以知道的,大约是4.8等。通过一套公式可以计算出来,天狼星的亮度是太阳的32.5倍。

这个亮度的倍数,也可以利用公式转化到表面积的比例——这个公式我们也不介绍了,毕竟大家是学点业余小知识,可以长(chui)见(niu)识(bi),又不是真的去做天文学家。

科学家怎么知道恒星直径(科学家如何测量系外恒星直径)(2)

总之,知道了表面积的比例,只要开个平方,就是直径的比例了。所以,天狼星的直径大约是太阳的1.71倍,也就是大约238万公里。

不过,这个方法相对是比较麻烦的,因为计算比较多。

  • 干涉法

1920年,天文学家迈克尔孙发明了迈克尔孙恒星干涉仪,成功降低了计算恒星直径的难度。

好了,这就到难点了。我们选择……略过。

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好吧,还是说说吧。

干涉,是高中物理的知识了,不知道大家还记得多少。说的就是两个不同的波,相遇的时候会发生振幅等各个属性的共同作用而发生变化。就比如湖面上的两道不同的涟漪,扩散后碰在一起,交叉的部分会出现新的涟漪。

光波也是波,和水波也是有相似之处的,也会发生干涉。就是利用光波的干涉,科学家可以计算恒星的直径。

科学家怎么知道恒星直径(科学家如何测量系外恒星直径)(4)

迈克尔孙干涉仪的原理,大约是这样的。目标恒星的光源S射出的光射到两个平面镜M1和M3上,可以看作是平行光,经由M2和M4和凹面镜、平面镜的各种反射,撞得二脸懵逼地汇聚在望远镜焦平面P上,发生干涉和衍射等现象。

两束光在叠加后会出现干涉条纹,有的地方非常明亮,有的地方则完全无光。经过此处可以省略一万字的公式,就可以计算出恒星的角直径了——说真的,这个公式别说省略一万字了,要是真想学明白,一万个小时还差不多,总之这个公式最后化简的结果是

科学家怎么知道恒星直径(科学家如何测量系外恒星直径)(5)

其中λ是平均波长,这个是很容易得到的数据;d0是干涉条纹第一次由最清晰到消失的基线长度,很容易测量,所以角直径θ就得到了。接下来就是三角函数了,有了顶角的度数和恒星的距离,就可以得到恒星的直径了(这两个测量方法参照日地距离和恒星距离的那两期)。

到了现代,科学家们又利用更新的技术改进了迈克尔孙的干涉仪。他们利用两架距离比较远的大口径光学望远镜作为组合,代替迈克尔孙干涉仪的M镜,用光电倍增管接受星光,这就是强度干涉仪。

不过,这个方法对于天体是有要求的,那就是足够明亮,提供足够的光,否则根本无法达到干涉的效果。因此,即便是强度干涉仪,我们也只能测量到最暗为2等星的天体,否则也只能干瞪眼了。

  • 衍射法

去年的时候,由DESY的Tarek Hassan和来自史密森天体物理天文台(SAO)的Michael Daniel领导的国际团队在《自然天文学》上发表了一种新的测量系外恒星直径的办法,也很有意思,那就是利用太阳系的小行星。其原理,就在于光的衍射。

问题又来了:衍射又是啥……

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你可能还记得,这也是高中物理知识——看,上高中多么重要,我们上学的时候总以为科学家闲的蛋疼,现在才知道这些研究多么有意义。

好了,我已经默认你忘光了,咱们再介绍一下。

如果把光的干涉比喻为两个武林高手的对决,那么衍射就是老顽童自创的左右手互搏术。

科学家怎么知道恒星直径(科学家如何测量系外恒星直径)(7)

当一列波肆无忌惮地前进时,突然撞了一下南墙。可是它不回头,而是选择绕路而行。好在墙上有两个缝,它分成两部分,分别钻过去。这俩波翻脸不认波,完全忘了彼此本自同根生,然后开始“相煎何太急”,这就是波的衍射。如果是光波的话,在衍射后会出现衍射光栅,或者泊松亮斑。

距离我们2674光年的恒星TYC 5517-227-1,有幸成为了第一颗通过小行星衍射效应被测量直径的天体。

2018年2月22日小行星1165 Imprinetta掠过恒星TYC 5517-227-1,挡住了它的光。科学家们抓住机会,利用每秒钟拍摄300张照片的速度,收集了大量的资料,用于汇总其衍射图样。

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这个计算过程,也是非常复杂的,涉及到恒星光度下降的时间等许多数据。总之,利用这个方法,科学家们可以计算出恒星的角直径θ,其精度可以达到1毫弧秒。这个1毫弧秒是什么概念呢?科学家比喻说,这个角度相当于从美国纽约看法国巴黎埃菲尔铁塔(直线距离5840公里)上一枚一分钱硬币的大小。

通过恒星的半径和恒星的表面重力,我们也可以求出恒星的质量。

随着人类科技的发展,科学家还会拿出越来越多的方法来测量各种系外天体的数据。只能说对于现在的科学家来说,很多方法还是不够精确的。比如传说中最大的恒星盾牌座UY,它的直径大约是太阳的1708倍,但有192倍太阳直径的误差,目前无法修正,而且它和大犬座VY也曾经有过一段时期的最大恒星头衔较量,直到后来才超过了它。

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因此,对于现在的我们来说,有些数据也并不准确,有待于更多的方法出现,才能够让我们更加了解这些天体。

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