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天体质量是怎么称出来的?其实不仅能称重天体,还能称重整个星系

2024-08-23科学

千钧一发「不称星体」。

星体的质量非常之大,天文学家会用「太阳质量」的单位来衡量星体的质量,其中,1个太阳质量等于2*10^30公斤,也就是2000亿亿亿公斤,因此星体的确太重了。

但是要说称星体的重量,为什么星体的质量太小就不称了呢?

是人太贪心,还是人太懒惰?

这其实有一个很简单的原因,那就是:这样根本称不出来。

这听起来有点玄乎,但仔细想想也不难理解。

人们使用称重的原理首先是什么?

秤就是一个测力仪器,力的本质是啥?

是质量乘以加速度,这里的加速度是指由于重力使物体受力而产生的加速度。

万有引力定律是由牛顿提出的,向心力、向外力是物体遵循的基本原则,从这些定律可以推得一颗物体承受来自地球引力的力大小为F=mg。

但如果把质量m看作10公斤的话,那么10公斤受到的重力就是98.1N。

那么假如一个力传感器的测量范围是0-50N,另一个是50-100N,这意味着什么?

显然是10公斤的重力太大,已经超出了我们手中力传感器所能承受的范围,测不出。

这还是「只有10公斤」的星体,如果质量只有1公斤,那测量质量的力会更小,这就更测量不出来了。

而且,科学家还发现,星体的本质是什么?

由于组成星体的粒子,它们的质量主要来自质子和中子,而质子和中子被认为是不可分的基本粒子,因此明显,不可能称出一个只有1个质子、1个中子的「星体」,这样的观测根本上不了台。

但是如果这样说,太重的不称,太轻的不称,那称星体的重量还有什么意义呢?

难道真的只能测量「恰到好处」的星体?

其实不然,然而如果质量太大,那么星体的体积也会变大,而且密度也会降低,这样测量的难度就大大降低了。

量子力学的「威力」。

这到底是为什么?

为了回答这个问题,我们需要先了解一下「度量」的概念:度量是镜面反射光的单位,长度单位是纳米,而质量单位就是原子单位,由此可见,这个单位十分之小,因此: 1.度量是最小的单位,无法再细分。

原子单位是质量上的单位,并不是原子数目上的单位。

在人们刚开始接触到原子以及原子构成的分子、普朗克所提出的光子能量概念时,确实都需要知道原子的大小,并且需要知道光子或原子的构成,因此在这个阶段,原子的大小,以及光子的质量,对人们来讲是非常有用的信息。

然而,随着研究的深入,人们更注重「量子力学」的法则,因为这个阶段需要知道的是原子和分子的性质,尤其是在进行化学研究时,已经很少有人去关心原子应该多大、光子的质量是多少了。

这时人们已经开始试图用微观的粒子来描绘宏观的世界,最终,人们已经能够直接测得原子和分子来研究材料的性质,而这再也不需要知道原子的大小以及光子的质量了,因为这些信息都是由量子力学来决定的。

从这个角度上来讲,原子和光子已经不再是能够细分的物质,因此,学术界把原子、光子称为「质量单位级别的物质」。

而在指导研究过程中,人们会发现:凡是涉及质量级别的研究,都和量子力学有关,而只要是质量级别的物质,且只要等级不是很低,那这些研究就会和量子力学有关,反之则不然。

那么,量子力学又是什么呢?

简单地说,量子力学就是使用数学的方法来描述微观世界的一种学科体系,而在这个学科中最为独特的地方是:波粒二象性。

这个学科的原理非常之简单,那就是光在传播过程中,会形成一种光电子的粒子行为,而电子在传播、进行光谱仪测量的行为过程中,也会表现出一种波动的性质,这种表象既不是粒子,也不是波动,因此人们就创造出一种新的概念:「粒子波」。

而这种「粒子波」性质就是由量子力学来定义的,这种定义帮助人们更好的了解微观世界。

在测量原子的世界中,人们就会发现原子本身太轻,因此原子和质子的大小都用「原子单位」来做单位,而光子的能量用哈特来表示,而太阳质量则用动质量来表示。

在太阳动质量的单位中:1个太阳动质量=9.5*10^37千克,如果太阳质量要达到这个数量级别的话,那么这颗太阳的体积就不再是「像太阳那么大」了,而是:1. 体积变得非常大。

新发现:太阳又轻了50%。

从太阳这里也能很好的说明星体的体积和密度的关系,不过这次我们不讨论太阳这个重量级,而是更加重的星体,比如主序星。

主序星是天文学定义的一个星体阶段,也是由燃烧氢元素,而目前所研究的大部分星体都是主序星阶段,不同的主序星质量各有不同,但是它们的质量在天文学家的观测中都基本处于相近的范围。

在我们所研究的恒星中,质量最小的恒星是0.08个太阳质量,这类恒星的体积也非常小,几乎和木卫的体积差不多,而质量最大的恒星是120个太阳质量,这种恒星并不常见,因此,探索它们的痕迹就显得格外困难。

在太阳的质量中,人们只有通过计算的方式才能得出这个质量,因此对于更大质量的恒星来讲,计算的难度就会更大,这就是主序星质量的上限。

和主序星对应的还有一种星体,那就是白矮星,白矮星和主序星的质量差不多,但是它们的体积更小,这就导致星体的密度非常的大。

质量越大的星体,体积越小,密度越大,质量越小,体积就越来越大,密度也就越来越小,而人们通过观测这两种星体,还发现一个重大的问题:质量越大的星体,密度越大,但质量越大到一定程度,星体的大小也会上升,从白矮星到中子星,再到黑洞,这些星体都有各自的特点。

质量在10个太阳动质量左右的中子星都非常的稳定,而一旦质量超过这个数值,这些星体就会走向黑洞,这是因为这些星体中的原子核子会受到强大的引力,从而连续进行融合,最终导致原子核子消失,而这也会导致物质坍缩,最终形成黑洞。

但是人们得到这些结论是通过计算的方式得出的,那么人们如何才能观测这些星体。

有一种方法,就是使用它们对周围天体的引力影响程度来观测这些星体,物体的质量越大,它们的引力就会越大,而质量越小,引力就会越小,但这个方法比较受天文学家们的喜爱,只是因为它的观测难度太大,人们并不会经常使用这个方法。

那么人们又使用一种怎样的方法来观测太阳系的质量呢?

这种方法就是通过金星和地球的引力关系来进行观测的,而此时的光年单位非常之适合观测这两个天体的质量。

用这种方法也能很直观的知道:地球的质量并没有超过太阳质量的1000倍,否则它就会像太阳一样,成为新的太阳,对于太阳系中的除了太阳之外的所有天体的质量也都是通过这种方式来观测的。

人们使用的还有一种方法,就是使用哈勃望远镜,这种望远镜是使用高倍率的镜头来放大目标物体,这种方法也非常之直观。

结语

不仅能称重星体,称重整个星系也是人们从太阳系中发现的奇特方法,而在这个过程中,还发现了更多的现象。