怎么知道星星有多重？

在上一期，我們了解了怎么測量一顆星星與我們的距離。你或許還會好奇，怎么知道星星有多重、有多大呢？在生活中，當我們想弄清楚某個物體的質量和體積，會使用秤和尺子。對于遠在天邊的星星，天文學家們就要另辟蹊徑了。

拉手轉圈圈，質量與力量有關

我們以夜空中最亮的恒星天狼星為例（距地球8.6 光年，如果你有一個小望遠鏡，可以輕松觀測它）。以前人們一直以為天狼星是一顆星，直到1862 年才發現天狼星其實是一顆由明亮的天狼星A 和暗淡的天狼星B 組成的雙星系統，它們在很近的距離內相互繞行。

這和我們討論的恒星質量又有什么關系呢？讓我們想象這樣一個場景：你拉著一個空書包原地轉圈，你可以穩穩地站在中心；如果將書包換成與你體重差不多的同學，也許你倆就成了繞著牽手的位置轉圈；如果對面換成一位壯漢，也許就變成你繞著他轉了。這背后的原因，是拉扯的物體質量不同，兩者之間相互的力也不同。星星也一樣，天體間的萬有引力，就像手拉手的力量，天狼星A 和天狼星B 的引力互相拉扯，繞著一個共同的質量中心（即“質心”）旋轉。

通過觀測它們的擺動情況，天文學家很快掌握了這兩顆恒星間的平均距離及其軌道周期。借助德國天文學家約翰尼斯·開普勒的開普勒第三定律，雙星系統中兩顆星星的質量和它們的軌道周期有關，天文學家就算出這個雙星系統的總質量大約是太陽的3 倍。

接下來，通過觀察兩顆恒星分別與質心的距離，發現天狼星B 距質心的距離約為天狼星A 的兩倍，那么天狼星B 的質量大約只有天狼星A 的一半（類似蹺蹺板上體重大的人要坐得離中間近一些才能保持平衡）。由此可知，天狼星A 的質量大約占了這個雙星系統的三分之二，也就是約2 倍太陽質量，而天狼星B 這顆白矮星幾乎與太陽質量相同。

閃閃滿天星，質量與亮度有關

物理啟蒙

·八年級物理上“質量”

·物體所含物質的多少叫作質量。物體的質量不隨它的形狀、物態和位置而改變。

你一定會追問，像我們太陽一樣獨立的單星系統要怎么“稱重”？一開始確實沒辦法，但隨著越來越多的雙星質量被測量出來，哈爾姆等天文學家注意到，在大多數情況下，它們的質量與亮度之間存在著相關性。1924 年，英國天體物理學家亞瑟·愛丁頓總結出了一套恒星質量與光度的關系，即“質光關系”。也就是說，我們通過望遠鏡觀測這個星星有多亮，就能估算出它大概有多重。

除此之外，還可以利用廣義相對論。愛因斯坦告訴我們，大質量天體的重力，就像一個放大鏡，會使經過它附近的星光發生彎曲，天體質量越大，彎曲效果越明顯。因此，天文學家還可以通過望遠鏡觀測這些天體對附近光線的扭曲程度，來估算其質量。

理論上，最“輕”的恒星，可以低至只有0.075倍太陽質量，而最“重”的恒星，可以達到幾百倍太陽質量。目前人類觀測到的最大質量的恒星是BAT99-98，其質量約為太陽的226 倍。

燃燒的恒星，體積和熱量有關

是不是最重的恒星就一定是體形最大的呢？不一定。那么，天文學家是如何量出恒星的“腰圍”的呢？

很多人以為，只要有一架足夠強大的望遠鏡，就應該能看清恒星的模樣。事實是，恒星離我們太過遙遠，以至于所有的恒星在光學望遠鏡中都只是一個很小的光斑，就像是顯示器上的一個或明或暗的像素點，很難分辨它的尺寸到底有多大。怎么辦呢？

科學家想到的辦法，是利用恒星的溫度。讓我們把恒星想象成一個燒火的大爐子吧。生活經驗告訴我們，要想讓爐子輻射出更多的熱量，要么提升爐子的溫度，要么造一個更大尺寸的爐膛。或者說，當爐子的溫度不變時，體積越大的爐子，輻射出的熱量越多。對于恒星來說也同樣如此，溫度越高、體積越大，輻射的能量就越多。因此，只要想辦法測得了某顆恒星輻射的能量，以及它的溫度，有了這兩把鑰匙，就能打開新的一扇門，倒推出星星的大小。

天文學家總是想方設法利用望遠鏡中恒星的光來求得其他的物理量。1911年，丹麥天文學家埃納·赫茨普龍在前人總結的經驗基礎上，將恒星的亮度（絕對星等）與恒星的表面溫度（光譜）關系畫在了一張圖上，1913年美國天文學家亨利·羅素也做了同樣的事情，這張圖后來用他們的名字被命名為“赫羅圖”。通過赫羅圖，我們可以總結出恒星絕對亮度與溫度的數值關系。也就是說，我們可以通過亮度大致猜測恒星的“溫度”有多高。“溫度”這第一把鑰匙已經拿到手了。第二把鑰匙是恒星輻射的能量，同樣可以直接用恒星的亮度（絕對星等）來表示。有了這兩把鑰匙，天文學家就能求得恒星的體積。

體積與壽命有關

目前人類已經觀測到的最大號的恒星，是位于盾牌座方向的紅特超巨星“史蒂文森2-18”，半徑達到了太陽的2158倍。如果把它放在我們太陽的位置，它將吞沒地球加上金木水火土五大行星軌道。如果以光速飛行，繞這顆恒星的赤道飛一圈需要將近9個小時。

而體積最小的恒星，是距地球約600光年的紅矮星EBLMJ0555-57Ab，它的體積比木星還要小，和土星差不多，質量也只有0.081個太陽質量，僅比前面提到的理論最小值大一點點而已。只要再小一點，就會由于缺少足夠的質量來維持核心的燃燒而被踢出恒星界，劃歸褐矮星的隊伍，而褐矮星也被稱為“失敗的恒星”。

當然，小恒星的優勢在于可以活更久，畢竟體積越大的恒星，燃燒得越快，耗盡得也越快，史蒂文森2-18從新生到老年只有短短一千萬年，而太陽能燃燒100億年，最小的這顆紅矮星說不定能燃燒到天荒地老。

觀星是人類最古老的活動之一，但那些從山洞中仰望浩瀚蒼穹的祖先們完全無法想象，他們的后人將透過巨大的望遠鏡窺視星空，僅僅利用星星發出的點點光芒，便能知曉它們的質量和大小，猜度與我們的距離，探索它們的化學組成和前世今生，拼湊出整個宇宙的樣貌。這種聽上去與占卜別無二致的奇異之術，我們稱之為：天體物理學。