Hoe de massa van een ster te achterhalen

Bijna alles in het universum heeft massa, van atomen en sub-atomaire deeltjes (zoals die onderzocht door de Large Hadron Collider) tot gigantische clusters van sterrenstelsels. De enige dingen die wetenschappers tot nu toe weten die geen massa hebben, zijn fotonen en gluonen. 

Massa is belangrijk om te weten, maar objecten in de lucht zijn te ver weg. We kunnen ze niet aanraken en we kunnen ze zeker niet wegen met conventionele middelen. Dus, hoe bepalen astronomen de massa van dingen in de kosmos? Het is ingewikkeld. 

Sterren en mis

Veronderstel dat een typische ster behoorlijk massief is, over het algemeen veel meer dan een typische planeet. Waarom geeft het om zijn massa? Die informatie is belangrijk om te weten omdat het aanwijzingen geeft over het evolutionaire verleden, heden en toekomst van een ster.

Astronomen die de Hubble Space Telescope gebruiken, hebben negen monstersterren geïdentificeerd met massa's die meer dan 100 keer zo groot zijn als de zon. Ze liggen in het sterrencluster R136 in de nabijgelegen grote Magellanic Cloud. Massa is een belangrijk kenmerk bij het bepalen van de levensduur van sterren. NASA / ESA / STScI

Astronomen kunnen verschillende indirecte methoden gebruiken om de massa te bepalen. Eén methode, gravitatie-lensing genaamd, meet het lichtpad dat wordt gebogen door de zwaartekracht van een nabijgelegen object. Hoewel de hoeveelheid buiging klein is, kunnen zorgvuldige metingen de massa van de zwaartekracht van het object onthullen dat aan het trekken trekt.

Typische stermassametingen

Het duurde tot de 21e eeuw voordat astronomen zwaartekrachtlenzen toepasten op het meten van sterrenmassa's. Daarvoor moesten ze vertrouwen op metingen van sterren die rond een gemeenschappelijk centrum van massa cirkelden, zogenaamde dubbelsterren. De massa van dubbelsterren (twee sterren die rond een gemeenschappelijk zwaartepunt draaien) is voor astronomen vrij eenvoudig te meten. Meerdere sterrenstelsels bieden zelfs een schoolvoorbeeld van hoe ze hun massa kunnen berekenen. Het is een beetje technisch maar de moeite waard om te bestuderen om te begrijpen wat astronomen moeten doen.

Een Hubble-ruimtetelescoopafbeelding van Sirius A en B, een binair systeem op 8,6 lichtjaar van de aarde verwijderd. NASA / ESA / STScI

Eerst meten ze de banen van alle sterren in het systeem. Ze klokken ook de omloopsnelheid van de sterren en bepalen vervolgens hoe lang het duurt voordat een bepaalde ster door een baan gaat. Dat wordt de 'omlooptijd' genoemd. 

Massa berekenen

Zodra al die informatie bekend is, doen astronomen vervolgens enkele berekeningen om de massa van de sterren te bepalen. Ze kunnen de vergelijking V gebruiken_baan = SQRT (GM / R) waar SQRT is "vierkantswortel" a, G is zwaartekracht, M is massa, en R is de straal van het object. Het is een kwestie van algebra om de massa te plagen door de vergelijking opnieuw op te lossen M. 

Dus, zonder ooit een ster aan te raken, gebruiken astronomen wiskunde en bekende fysische wetten om de massa ervan te achterhalen. Ze kunnen dit echter niet voor elke ster doen. Andere metingen helpen hen de massa voor sterren te achterhalen niet in binaire of meervoudige sterrensystemen. Ze kunnen bijvoorbeeld helderheid en temperatuur gebruiken. Sterren met verschillende lichtsterktes en temperaturen hebben enorm verschillende massa's. Uit die informatie blijkt dat, wanneer in een grafiek uitgezet, sterren kunnen worden gerangschikt op temperatuur en helderheid.

Echt massieve sterren behoren tot de heetste sterren in het universum. Sterren met een kleinere massa, zoals de zon, zijn koeler dan hun gigantische broers en zussen. De grafiek van stertemperaturen, kleuren en helderheid wordt het Hertzsprung-Russell-diagram genoemd en per definitie toont het ook de massa van een ster, afhankelijk van waar deze op de kaart ligt. Als het langs een lange, bochtige curve ligt die de hoofdreeks wordt genoemd, dan weten astronomen dat de massa niet gigantisch zal zijn noch klein zal zijn. De grootste massa en de kleinste massa sterren vallen buiten de hoofdreeks.

Deze versie van het Hertzprung-Russell-diagram toont de temperaturen van sterren tegen hun lichtsterktes. De positie van een ster in het diagram geeft informatie over in welk stadium deze zich bevindt, evenals de massa en helderheid. Europees zuidelijk observatorium

Stellaire evolutie

Astronomen hebben een goede greep op hoe sterren worden geboren, leven en sterven. Deze opeenvolging van leven en dood wordt "stellaire evolutie" genoemd. De grootste voorspeller van hoe een ster zal evolueren, is de massa waarmee hij wordt geboren, zijn 'initiële massa'. Sterren met een lage massa zijn over het algemeen koeler en dimmer dan hun tegenhangers met een hogere massa. Dus eenvoudig door astronomen een goed idee te krijgen van de massa van een ster, kunnen ze eenvoudigweg kijken naar de kleur, temperatuur en waar een ster leeft in het Hertzsprung-Russell-diagram. Vergelijkingen van vergelijkbare sterren met bekende massa (zoals de hierboven genoemde binaries) geven astronomen een goed idee van hoe massief een bepaalde ster is, zelfs als het geen binair getal is.

Natuurlijk behouden sterren niet hun hele leven dezelfde massa. Ze verliezen het naarmate ze ouder worden. Ze verbruiken geleidelijk hun nucleaire brandstof en ervaren uiteindelijk enorme afleveringen van massaverlies aan het einde van hun leven. Als ze sterren zoals de zon zijn, blazen ze hem zachtjes af en vormen ze planetaire nevels (meestal). Als ze veel massiever zijn dan de zon, sterven ze in supernova-evenementen, waar de kernen instorten en zich vervolgens naar buiten uitbreiden in een catastrofale explosie. Dat schiet veel van hun materiaal naar de ruimte.

Samengesteld beeld van de Krabnevel, een overblijfsel van de supernova dat de dood van een zeer massieve ster aankondigde. NASA / ESA / ASU / J. Hester & A. Loll

Door sterren te observeren die sterven als de zon of sterven in supernovae, kunnen astronomen afleiden wat andere sterren zullen doen. Ze kennen hun massa, ze weten hoe andere sterren met vergelijkbare massa evolueren en sterven, en dus kunnen ze een aantal behoorlijk goede voorspellingen doen, gebaseerd op waarnemingen van kleur, temperatuur en andere aspecten die hen helpen hun massa te begrijpen.

Sterren observeren is veel meer dan gegevens verzamelen. De informatie die astronomen krijgen is opgevouwen in zeer nauwkeurige modellen die hen helpen precies te voorspellen welke sterren in de Melkweg en in het hele universum zullen doen wat ze zijn geboren, ouder worden en sterven, allemaal op basis van hun massa. Uiteindelijk helpt die informatie mensen ook meer te begrijpen over sterren, met name onze zon.

Snelle feiten

• De massa van een ster is een belangrijke voorspeller voor vele andere kenmerken, waaronder hoe lang hij zal leven.
• Astronomen gebruiken indirecte methoden om de massa van sterren te bepalen, omdat ze ze niet rechtstreeks kunnen raken.
• Normaal gesproken leven meer massieve sterren kortere levens dan de minder massieve. Dit komt omdat ze hun nucleaire brandstof veel sneller verbruiken.
• Sterren zoals onze zon zijn middelmatige massa en eindigen op een veel andere manier dan massieve sterren die zichzelf na enkele tientallen miljoenen jaren opblazen.