宇宙那么遥远,如何测量几亿光年外星系的质量呢?

2019年10月27日 02:45

我们从小到大,从行星、恒星、星系到黑洞一个一个来:

地球的测量

1797年卡文迪许的扭秤实验利用两个已知质量的小物体,成功得到了牛顿万有引力公式中的引力常量G。

利用牛顿的万有引力公式,已知地球施加给你的万有引力F、引力常量G,以及你自身的质量M0。就可以反推计算出地球的质量M地,这部分在高中物理中有提及。

恒星的测量

恒星中先拿太阳举例,我们已经可以测量地球的质量M地,也容易知道地球的公转周期T和轨道。而这地球公转周期和轨道是遵循开普勒三大定律的,由地球和太阳的质量决定,可用来反推太阳质量M太阳。

再从太阳推广到其他恒星:

其他恒星的质量常用“质光公式”来计算,原理是:恒星的光度与其质量存在一定关系,不同质量范围的恒星对应的公式系数不同。也因此不适用于红巨星(濒临死亡的恒星)和白矮星(死亡后并处于简并态的恒星)。质光公式如下(L⊙和M⊙是太阳的光度和质量,并且1<a<6):

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另一种方法是借助“引力透镜”,依据有质量的物体会扭曲空间的相对论效应,当光线经过恒星时,方向会发生小角度的弯折,弯折的角度与恒星质量相关。用望远镜等观测到折射的角度,就可以估算恒星的质量。这里提到的光线,指的是待测恒星背后的,来自其他恒星的光。

星系的测量

计算星系的质量自然不是把里面的每颗恒星、行星、彗星的质量相加。而是将星系中的每颗星球简化为一个点,可以为星系构建出理论模型。不同质量的星系会表现出不同的悬臂、不同的角速度等特征,而这些量是可观察并直接测量的。将这些可测量的量代入模型中,就可以估算星系的质量。注意到影响星系特征的不仅有星球,还有暗物质(一种有质量但很难被直接观测到的物质,几乎不与其他物质发生相互作用),现代的星系质量数据都是考虑了暗物质影响的。

黑洞的测量

其实黑洞的测量也并没有特殊,地球上的物理学家同样根据基础理论(万有引力、相对论)对黑洞构建了数学模型:

早期黑洞质量的测量与双星的测量方法类似,找到黑洞附近的另一可见天体,二者的质量决定了彼此的运动状态(周期、角速度、轨道半径等),恒星的质量好说,黑洞就可据此计算出来。不过此方法并不准确。随着对黑洞的认识加深,科学家还可以根据黑洞引起的吸积盘的形态来计算黑洞质量。而最新的测量方法,就是去比较黑洞不在时和黑洞经过时,黑洞附近环绕的冷却气体云的动态性。黑洞的引力是引起气体动态运动的原因,科学家可据此推测出黑洞的质量下限。

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