Πώς ζυγίζουμε ένα άστρο;

Πώς ζυγίζουμε ένα άστρο;

4 Ιανουαρίου 2018

Η ζωή ενός άστρου καθορίζεται από τη μάζα του. Τα μεγάλα άστρα έχουν «σύντομη» ζωή και καταλήγουν σε εκρήξεις σουπερνόβα, ενώ τα μικρότερα άστρα ζουν περισσότερο τελειώνοντας την ζωή τους ως λευκοί νάνοι. Η γνώση της μάζας ενός άστρου μας βοηθάει να κατανοήσουμε όχι μόνο τη ζωή ενός άστρου, αλλά και την εξέλιξη των γαλαξιών. Όμως ο προσδιορισμός της μάζας ενός άστρου δεν είναι πάντα εύκολος.

Ο καλύτερος τρόπος για να ζυγίσουμε ένα άστρο είναι να μετρήσουμε πόσο δυνατά έλκει ένα άλλο άστρο. Αν τα δυο άστρα σχηματίζουν ένα δυαδικό σύστημα, η ταχύτητα με την οποία περιφέρεται το ένα γύρω από το άλλο καθορίζεται από την μεταξύ τους βαρυτική έλξη. Καταγράφοντας τις τροχιές τους συναρτήσει του χρόνου μπορούμε να προσδιορίσουμε την μάζα του κάθε άστρου. Αλλά πολλά άστρα είναι μοναχικά, το πλησιέστερο άστρο σ’ αυτά μπορεί να βρίσκεται έτη φωτός μακριά και η βαρυτική τους αλληλεπίδραση να είναι ελάχιστη ώστε να μετρηθεί. Έτσι χρειαζόμαστε έναν άλλο τρόπο για να υπολογίσουμε την μάζα τους.

Εναλλακτική λύση είναι να εξετάσουμε την θερμοκρασία του άστρου. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία ενός άστρου τόσο μεγαλύτερη είναι μάζα του. Όμως υπάρχουν μερικά προβλήματα. Από την μια, αυτή η σχέση μεταξύ αστρικής θερμοκρασίας και μάζας ισχύει μόνο για τα άστρα της κύριας ακολουθίας. Από την άλλη, η θερμοκρασία των άστρων αυξάνεται καθώς αυξάνεται η ηλικία τους. Ένα γηραιότερο άστρο με την μάζα του Ήλιου μας, έχει μεγαλύτερη θερμοκρασία σε σχέση με ένα νεώτερο άστρο μιας ηλιακής μάζας.

Ένας νέος τρόπος μέτρησης της μάζας ενός άστρου σχετίζεται με την βαρύτητα στην επιφάνειά του. Μια μπάλα που πέφτει κοντά στην επιφάνεια της Γης επιταχύνεται με 9,8 m/s2. Aυτή είναι η επιφανειακή βαρύτητα της Γης. Καθώς απομακρυνόμαστε από τη Γη η ένταση της βαρύτητάς της μειώνεται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης. Η Σελήνη για παράδειγμα «πέφτει» γύρω από τη Γη με επιτάχυνση μόνο 2,7 mm/s2.

Η βαρύτητα στην επιφάνεια ενός πλανήτη ή ενός άστρου εξαρτάται από την μάζα και την διάμετρό του. Αν βρούμε την απόσταση ενός άστρου, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το φαινόμενο μέγεθός του για τον προσδιορισμό της διαμέτρου του. Ο υπολογισμός της βαρύτητας στην επιφάνειά του είναι λίγο πιο περίπλοκος.

Αν μια μπάλα αναπηδήσει στο γήινο έδαφος, χρειάζεται ένα ορισμένο χρονικό διάστημα για να φτάσει σε ένα μέγιστο ύψος και να επιστρέψει πάλι στο έδαφος. Αυτός ο χρόνος εξαρτάται εν μέρει από την επιφανειακή βαρύτητα. Αν μια μπάλα αναπηδούσε με τον ίδιο τρόπο στην επιφάνεια του Άρη, ο χρόνος μεταξύ δυο διαδοχικών αναπηδήσεων θα ήταν μεγαλύτερος, σε σχέση με τη Γη, διότι ο Άρης έχει μικρότερη επιφανειακή βαρύτητα. Βέβαια δεν μπορούμε να βάλουμε μπάλες να αναπηδούν στην επιφάνεια ενός άστρου, όμως εκεί υπάρχουν επιφανειακές αποκλίσεις που ανεβαίνουν και πέφτουν. Η επιφάνεια ενός άστρου συχνά αναδεύεται όπως το νερό που βράζει, δημιουργώντας θύλακες, γνωστοί και ως κόκκοι. Ο ρυθμός με τον οποίο αυτοί οι κόκκοι ανέρχονται και ξαναπέφτουν προσδιορίζεται από την βαρύτητα στην επιφάνεια του άστρου. Έτσι, μετρώντας τον ρυθμό με τον οποίο ένα άστρο τρεμοπαίζει με μικροσκοπικούς τρόπους, μπορούμε να προσδιορίσουμε την μάζα του.

Μια πρόσφατη δημοσίευση [Empirical, Accurate Masses and Radii of Single Stars with TESS and Gaia] μελετά τα όρια παρατήρησης των δεδομένων από τα διαστημικά τηλεσκόπια GAIA (συλλέγει ήδη δεδομένα) και TESS (θα ξεκινήσει τον Μάρτιο). Διαπιστώνει ότι GAIA και TESS μπορούν να προσδιορίσουν την μάζα ενός άστρου χρησιμοποιώντας την μέθοδο της επιφανειακής βαρύτητας με ακρίβεια 25% και 10% αντίστοιχα. Επειδή αυτοί οι δορυφόροι θα παρατηρήσουν εκατομμύρια άστρα, αυτό θα μπορούσε να γίνει ένα ισχυρό εργαλείο στην μελέτη των άστρων.

Πηγή: https://briankoberlein.com/2017/12/30/how-to-weigh-a-star/