宇宙中的恒星都是一样的吗?天文学家怎么给遥远的恒星分类?如何知道它们由哪些元素组成?为什么天文学家把“Oh, Be A Fine Girl! Kiss Me!”挂在嘴边?谜底将为你一一揭晓。最后还有答题抽奖哦!
太阳光谱包含有不同颜色的连续谱,在连续谱上叠加着不同波长的吸收线,这些吸收线反映了太阳大气中的物质组成。分析太阳光谱,可以推断出其大气中至少包含五十七种不同的元素,其它恒星的化学组成也能够从它们的光谱中推断出来。
科学先驱布鲁诺在他的著作《论无限、宇宙和诸世界》中说,无限宇宙中的所有星球,都是由和地球、太阳同样的物质构成的。然而,遥远的恒星无法企及,即使在技术高度发展的今天,对太阳的大气成分进行实测依然不可能达到,宇宙中的恒星都是和太阳一样的天体吗?该怎样知道恒星的物质成分呢?答案就藏在星光中。
1609年,伽利略首次用望远镜对夜空进行了观测,人类的视界极大地拓宽了,人们发现肉眼看起来相似的恒星,实际上是色彩斑斓的。牛顿进一步通过三棱镜将阳光成功分解成包涵不同颜色的光谱,证明了即使看起来单调的白色阳光,也是包含着不同颜色成分的。然而,当时人们还没有意识到,其实通过观察阳光的组成,就能够进一步探索其大气中的物质成分。
一、太阳光谱
人们发现恒星光谱能反映出其物质组成的信息,是在定量实验光谱学建立起来之后。19世纪初,光栅开始投入到光谱研究中,光谱的颜色开始能够通过波长精确地用数字来描述了,这就使得将恒星光谱与实验室已知的光谱进行比较成为可能。1814年,德国物理学家约瑟夫·夫琅和费发现,阳光中除了包含不同颜色的连续谱,还存在很窄的暗线,夫琅和费详细地用光栅测量了这些暗线的波长,也就是我们今天所称的夫琅和费线。
二、恒星光谱及分类
恒星天体物理学的一个最终目标就是建立正确的恒星演化理论。由于我们不可能对单颗恒星进行毕生的观测,将恒星按照其特征进行合适的分类就变得至关重要,分类的目的在于将恒星的观测特征按照其对应的物理性质连续排列,从而为推测恒星演化提供线索。那么该选取什么特征量作为恒星分类的标准呢?一个特征物理量就是恒星的亮度,它直接联系着恒星发光的功率;而另一个特征量则是恒星的光谱,这就好比它们的指纹。
天文学家相信,恒星的光谱不仅反映了恒星本身的物质组成,也必定与它们的物理环境(如温度、密度等)密切相关,因此将恒星按照光谱合理分类对推导正确的恒星理论十分重要。
三、赫罗图的诞生
1907年时,德国物理学家卡尔·史瓦西将注意力转向了星团。因为星团是引力束缚的多体系统,可以近似认为所有恒星都拥有到地球相同的距离,这就避免了因为距离测定的不确定而无法准确预测恒星光度的问题。
同一时期,天文学界开始采用有效波长来描述恒星能谱的平均波长,后者被证明与恒星的光谱型存在强关联。正是在这一时期,赫茨普龙受史瓦西邀请访问哥廷根大学,并于1911年发表了第一篇关于昴星团和毕星团的光度-颜色图,他发现昴星团和毕星团中存在明显连续的恒星序列,除此之外,红星的光度范围非常广泛,赫茨普龙正确地指出,如果只将目光集中在矮星上,就能得到一条有连续走向的主星序。
结束语
从1814年夫琅和费测量太阳光谱开始,到1914年罗素发表恒星的光度-光谱型图,整整一百年时间,科学先驱们史诗般的努力与伟大的洞见,终于使人们发现,在人类文明毕生也不曾有丝毫改变的灿烂恒星们,竟然是可以理解的。自赫罗图出现之后,天体物理学迄今为止最成功的理论之一——恒星结构与演化理论,也重装登场了。