18.1: 测量恒星质量

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

解释为什么肉眼可见的星星不是典型的
描述在太阳附近发现的恒星质量的分布

在我们自己进行调查之前，我们需要就适合我们正在研究的物体的距离单位达成一致。恒星都很远，千米（甚至是天文单位）使用起来非常麻烦；因此，正如《科学与宇宙：简要之旅》中所讨论的那样，天文学家使用的是大得多的 “量尺”，叫做光年。光年是光（我们所知道的最快信号）在 1 年内传播的距离。由于光每秒覆盖的速度惊人地达到300,000千米，并且由于1年中有很多秒，因此光年是一个非常大的数量：准确地说是9.5万亿（9.5×1012）千米。（请记住，光年是距离的单位，尽管其中出现了 “年” 一词。）如果你在没有停下来吃饭或休息的情况下按美国法定限速行驶，那么在大约1200万年过去之前，你不会在光年结束时到达太空。距离最近的恒星超过 4 光年。

请注意，关于如何测量如此长的距离，我们还没有说太多。这是一个复杂的问题，我们将在《天体距离》中回过头来讨论这个问题。现在，让我们假设已经测量了宇宙附近恒星的距离，以便我们可以继续进行人口普查。

小就是美丽——或者至少更常见

当我们在美国进行人口普查时，我们会按社区计算居民。我们可以尝试同样的方法进行出色的人口普查，然后从我们自己的邻居开始。正如我们将看到的，我们遇到了两个问题——就像我们在人口普查中遇到的那样。首先，很难确定我们已经计算了所有居民；其次，我们当地的社区可能不包含所有可能类型的人。

该表\(\PageIndex{1}\)显示了我们自己的本地邻域（距离太阳 21 光年以内）中每种光谱类型 ¹ 的恒星数量的估计值。（我们生活的银河系的直径约为100,000光年，所以这个数字实际上适用于一个非常局部化的社区，这个社区只包含银河系中数十亿颗恒星的一小部分。）你可以看到，低亮度（因此也是低质量）的恒星比高亮度的恒星要多得多。我们当地社区中只有三颗恒星（一颗F型和两颗A型）的亮度明显高于太阳，质量也更大。这确实是小胜于大局的情况，至少在数字方面是如此。太阳比我们附近的绝大多数恒星还要大。

表\(\PageIndex{1}\)：距离太阳 21 光年以内的恒星
光谱类型	星星数
一个	2
F	1
G	7
K	17
M	94
白矮星	8
褐矮星	33

该表基于 2015 年之前发布的数据，可能还有更多微弱的物体有待发现（见图\(\PageIndex{1}\)）。除了已经在我们附近观测到的 L 和 T 褐矮星外，天文学家预计还会再发现数百个 T 矮星。其中许多可能比目前已知最酷的 T 矮人还要酷。质量最低的矮人之所以如此难以找到，是因为它们发出的光很少，比太阳少一万到一百万倍。直到最近，我们的技术才发展到可以探测到这些昏暗而酷炫的物体的地步。

alt — \(\PageIndex{1}\)人物矮人模拟。这个计算机模拟显示了我们附近的恒星，就像在 30 光年之外看到的恒星一样。太阳在中心。所有的褐矮星都被圈出；早些时候发现的褐矮星用蓝色圈出，最近在太空中用WISE红外望远镜（科学家把这张图放在一起）发现的褐矮星用红色圈出。普通的 M 星既红色又微弱，看起来比实际要亮，这样你就可以在模拟中看到它们。请注意，像我们的太阳这样发光的热星非常罕见。

为了透视所有这些，我们注意到，尽管表中列出的恒星是我们最近的邻居，但你不能在没有望远镜的情况下只抬头看夜空就能看见它们；除非它们离得很近，否则肉眼看不见比太阳微弱的恒星。 _{例如，亮度介于 1/100 到 1/10,000 之间的恒星，太阳（L 太_阳）的亮度非常常见，但是亮度为 1/100 L 的恒星必须在 5 光年之内才能被肉眼看见，而且只有三颗恒星（全部在}一个系统）离我们这么近。如果没有望远镜，仍然无法看到这三颗恒星中最接近的 Proxima Centauri，因为它的亮度太低了。

如今，天文学家正在努力寻找最微弱的邻居，以完成对当地社区的人口普查。最近发现的附近恒星在很大程度上依赖红外望远镜，这些望远镜能够找到这么多很酷的低质量恒星。你应该预计，随着越来越多和更好的调查的进行，距离太阳 26 光年以内的已知恒星数量将继续增加。

Bright 不一定意味着关闭

如果我们将人口普查局限于当地社区，我们将错过许多最有趣的星星。毕竟，你居住的社区并不包含生活在整个国家的所有类型的人，根据年龄、教育程度、收入、种族等进行区分。例如，有些人确实活到100岁以上，但在你居住地几英里之内可能没有这样的人。为了对全方位的人口进行抽样，你必须将人口普查范围扩大到更大的区域。同样，附近根本找不到某些类型的恒星。

我们在恒星人口普查中遗漏了一些东西的线索来自这样一个事实：在天空中看起来最亮的20颗恒星中，只有6颗——天狼星、维加、Altair、Alpha Centauri、Fomalhaut和Procyon——是在距离太阳 26 光年之内发现的（图\(\PageIndex{2}\)）。为什么我们在对当地社区进行人口普查时遗漏了大多数最亮的恒星？

alt — 找\(\PageIndex{2}\)出最近的星星。 (a) 这张照片是用智利欧洲南方天文台的广角望远镜拍摄的，显示了我们最近的三颗恒星系统。 (b) 两颗彼此靠近的明亮恒星（Alpha Centauri A 和 B）将它们的光线混合在一起。 (c) 用箭头表示的（否则你几乎不会注意到）是微弱得多的 Proxima Centauri 恒星，它的光谱类型为 M。

有趣的是，答案是，看起来最亮的星星不是离我们最近的恒星。最亮的恒星看起来像它们的样子，因为它们会释放大量的能量，事实上，它们不必在附近就能看起来很明亮。你可以通过查看附录 J 来证实这一点，该附录给出了看上去最亮的 20 颗恒星与地球的距离。这些恒星中最遥远的距离我们超过 1000光年。事实上，事实证明，在没有望远镜的情况下可见的大多数恒星都距离数百光年，发光度比太阳高很多倍。在肉眼可见的9000颗恒星中，只有大约50颗本质上比太阳微弱。另请注意，附录 J 中的几颗恒星是光谱类型 B，表中完全没有这种类型\(\PageIndex{1}\)。

附录J中列出的明亮恒星中发光度最高的恒星发出的能量是太阳的50,000倍以上。这些高亮度的恒星在太阳邻域中缺失，因为它们非常罕见。它们都不在紧邻太阳的微小空间中，为了获得表中显示的数据，只对这么小的空间进行了调查\(\PageIndex{1}\)。

例如，让我们考虑一下发光度最高的恒星——那些发光度是太阳发光100倍或以上的恒星。尽管这样的恒星很少见，但肉眼也能看见它们，即使距离数百到数千光年也是如此。在没有望远镜的情况下可以看到亮度比太阳高10,000倍的恒星，距离为5000光年。然而，在5000光年的距离内所包含的空间量是巨大的；因此，尽管高亮度的恒星本质上是罕见的，但我们肉眼很容易看见其中许多恒星。

这两个恒星样本，即离我们很近的恒星样本和肉眼可以看到的恒星样本之间的对比就是选择效果的一个例子。当一组物体（本例中的恒星）包括各种不同的类型时，我们必须谨慎从对任何特定子组的检查中得出的结论。如果我们假设肉眼可见的恒星是普通恒星群的特征，那我们肯定是在自欺欺人；这个子群对发光度最高的恒星来说权重很大。为最近的恒星组装完整的数据集需要付出更多的努力，因为大多数恒星都很微弱，只能用望远镜观测它们。但是，只有这样，天文学家才能了解绝大多数恒星的特性，这些恒星实际上比我们自己的太阳小得多，也更微弱。在下一节中，我们将研究如何测量其中的一些属性。

关键概念和摘要

要了解恒星的特性，我们必须进行广泛的调查。我们发现看上去最亮的恒星之所以明亮，主要是因为它们本质上非常明亮，而不是因为它们离我们最近。大多数最近的恒星本质上都非常微弱，只有借助望远镜才能看见它们。质量低、亮度低的恒星比质量高、亮度高的恒星更为常见。当地社区的大多数褐矮星尚未被发现。

脚注

¹ 在《分析星光》中定义和讨论了恒星的光谱类型。

词汇表

选择效果: 以非随机方式选择样本数据，导致样本数据无法代表整个数据集