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So bestimmen Sie die Masse eines Sterns

Fast alles im Universum hat Masse. von Atomen und subatomaren Teilchen (wie sie vom Large Hadron Collider untersucht wurden. bis zu riesigen Galaxienhaufen. Die einzigen Dinge, von denen Wissenschaftler bisher wissen, dass sie keine Masse haben, sind Photonen und Gluonen.

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

 

Sterne und Messe

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

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 bei der Ermittlung der Lebensspanne von Sternen. NASA / ESA / STScI

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

 

Typische Sternmassenmessungen

Es dauerte bis zum 21. Jahrhundert, bis Astronomen Gravitationslinsen zur Messung von Sternmassen verwendeten. Zuvor mussten sie sich auf Messungen von Sternen verlassen, die einen gemeinsamen Schwerpunkt umkreisen, sogenannte Doppelsterne. Die Masse der  Doppelsterne (zwei Sterne, die einen gemeinsamen Schwerpunkt umkreisen) ist für Astronomen ziemlich einfach zu messen. Tatsächlich bieten Mehrsternsysteme ein Lehrbuchbeispiel dafür, wie ihre Massen ermittelt werden können. 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 binären System, das 8,6 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. 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 als nächstes einige Berechnungen durch, um die Massen der Sterne zu bestimmen. Sie können die Gleichung V Bahn=SQRT (GM / R) verwenden, wobei SQRT „Quadratwurzel“ a ist, G die Schwerkraft ist, M die Masse ist und R der Radius des Objekts ist. Es ist eine Frage der Algebra, die Masse herauszufiltern, indem die Gleichung neu angeordnet wird, um nach M zu lösen .

Ohne jemals einen Stern zu berühren, verwenden Astronomen Mathematik und bekannte physikalische Gesetze, um seine Masse herauszufinden. Sie können dies jedoch nicht für jeden Stern tun. Andere Messungen helfen, die Massen für Sterne herauszufinden , nicht in Binär- oder mehrere Sternsystemen. Zum Beispiel können sie Leuchtdichten und Temperaturen verwenden. Sterne unterschiedlicher Leuchtkraft und Temperatur haben sehr unterschiedliche Massen. Diese Informationen zeigen, wenn sie in einem Diagramm dargestellt werden, 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 Sterntemperaturen, -farben und -helligkeiten wird als Hertzsprung-Russell-Diagramm bezeichnet und zeigt per Definition auch die Masse eines Sterns, je nachdem, wo er auf dem Diagramm liegt. Wenn es entlang einer langen, gewundenen Kurve liegt die genannte Hauptreihe. dann Astronomen wissen , dass seine Masse nicht gigantisch sein wird , noch wird es klein sein. Die Sterne mit der größten Masse und der kleinsten Masse fallen außerhalb der Hauptsequenz.

Diese Version des Hertzprung-Russell-Diagramms zeigt die Temperaturen von Sternen gegen ihre Leuchtkraft. 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 „Sternentwicklung“ genannt. Der größte Prädiktor für die Entwicklung eines Sterns ist die Masse, mit der er geboren wurde, seine „Anfangsmasse“. Sterne mit geringer Masse sind im Allgemeinen kühler und dunkler als ihre Gegenstücke mit höherer Masse. Durch einfaches Betrachten der Farbe, der Temperatur und des „Lebensraums“ eines Sterns im Hertzsprung-Russell-Diagramm können Astronomen eine gute Vorstellung von der Masse eines Sterns gewinnen. Vergleiche ähnlicher Sterne bekannter Masse (wie die oben genannten Binärdateien) geben Astronomen eine gute Vorstellung davon, wie massereich ein bestimmter Stern ist, auch wenn er kein Binärstern ist.

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 erleben schließlich am Ende ihres Lebens große Episoden von Massenverlusten . 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 sprengt einen Großteil ihres Materials in den Weltraum.

Zusammengesetztes Bild des Krebsnebels, eines Supernova-Überrests, der den Tod eines sehr massiven 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, basierend auf Beobachtungen von Farbe, Temperatur und anderen Aspekten, 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 gefaltet, die ihnen helfen, genau vorherzusagen, was Sterne in der Milchstraße und im gesamten Universum tun werden, wenn sie geboren werden, altern und sterben, alles 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 Eigenschaften, einschließlich der Lebensdauer.
  • Astronomen verwenden indirekte Methoden, um die Masse der Sterne zu bestimmen, da sie sie nicht direkt berühren können.
  • Typischerweise leben massereichere Sterne kürzer als die weniger massereichen. Dies liegt daran, dass sie ihren Kernbrennstoff viel schneller verbrauchen.
  • Sterne wie unsere Sonne haben eine mittlere Masse und enden ganz anders als massive Sterne, die sich nach einigen zehn Millionen Jahren in die Luft sprengen.

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