粒子菌2019-09-29 16:33:37

牛頓以前人們是不知道如何計算中心天體質量的。開普勒發現了行星運動三大定律：

1、橢圓定律：所有行星繞太陽的軌道都是橢圓，太陽在橢圓的一個焦點上。

2、面積定律：行星和太陽的連線在相等的時間間隔內掃過相等的面積。

3、調和定律：所有行星繞太陽一週的恆星時間的平方與它們軌道長半軸的立方成比例。

暗示了行星運動週期和中心天體有關。直到牛頓透過自己的運動定律和萬有引力定律計算得出開普勒第三定律的具體形式：

行星的運動週期 T 和半長軸 a 是可以觀察確定的，式子裡當時唯一不知道的量即是萬有引力常數 G，直到 1797 年卡文迪許利用扭稱將 G 測量了出來，這時候太陽系有衛星系統的行星的質量和太陽的質量也就很快確定了下來。

那麼對於太陽系外的恆星而言，他們的質量亮度等怎麼測算，這個問題困惑了天文學家多年，直到譜線和黑體光譜的發現。花開兩枝先說黑體輻射，在人們好奇物體是怎樣發光的不是一天兩天了。很久以來人們就發現鐵爐的鐵會隨著溫度增高，變紅再變白。顯然溫度對發光是及其重要的，基於這個想法基爾霍夫假設了一理想狀況——黑體：

它能夠吸收外來的全部光，並且不會有任何的反射與透射。

黑體儘管聽起來很理想，但現實生活中很多東西都能夠近似為黑體，其中數量最多的是我們頭頂千萬億顆恆星。透過簡單的熱力學推算，基爾霍夫指出：

在熱平衡狀態的物體所輻射的能量與吸收的能量之比與物體本身物性無關，只與波長和溫度有關。按照基爾霍夫輻射定律，在一定溫度下，黑體必然是輻射本領最大的物體，可叫作完全輻射體。

基爾霍夫定理是萬里長征的第一步，接下來的任務是確定在一定溫度下黑體的輻射本領究竟是怎樣？黑體輻射是瑞利爵士那著名的兩朵烏雲之一，具體細節不再深入，總之在 1900 年普朗克結合實驗資料從理論上解決了這一問題。黑體輻射定律透過光子的統計學很快就可以推匯出來。

同時維恩給出了一個簡介的公式，指出黑體輻射的最大峰與溫度之間的關係，即維恩位移定律。

有了這些就可以透過測量太陽光譜得到太陽表面的溫度，而太陽的溫度最後肯定唯一取決與太陽內部的燃料多寡，最後與質量掛上關係。另一方面恆星的亮度最後也會在距離上反映出來。儘管這些關係目前還不是很清楚，但總算是有事可做。總之在上世紀初，大家都在測各種各樣的天體光譜，從而建立恆星表面的溫度。以恆星的絕對星等和表面溫度為縱橫座標，人們畫出了大名鼎鼎的赫羅圖，赫羅圖很重要，它使得恆星演化理論清晰可見。

接著我們回過頭來再看下譜線，1665 年牛頓做了陽光的稜鏡分光效應後，當時閒的沒事幹的科學家們就開始在光源到稜鏡之間夾各種各樣的物質或者不同的光源，很快他們就發現原本赤橙黃綠青藍紫的連續譜上面有很多細小的線，隨著不斷的實驗，人們認識到這些線和不同的化學元素是一一對應的，即所謂的特徵譜線。這個方法異常好用，畢竟只要有一塊稜鏡把物質加熱就能得到其中的元素組成。

自然而然地人們把鏡頭對準了太陽，但普通的稜鏡怎麼能夠征服偉大的阿波羅。直到 1814 年，拿破崙皇帝第一次退位的時候，德意志人隨著反法同盟攻入了太陽王的宮殿，與此同時在巴伐利亞另一位德意志人夫琅禾費利用自己高超的制鏡技術向太陽發起了進攻！夫琅禾費的結果表明，太陽光譜明亮彩色背景上有 576 條狹細的暗線，很快人們透過這些譜線的波長與地球上已知物質的原子光譜進行對比，發現太陽表層中包含的 60 多種化學元素，其中還包括當時在地球上暫時沒有發現的 He，而 He（希臘語：ἥλιος，轉寫：Helios；英語：Helium）的希臘語直譯便是太陽。

元素的譜線問題到玻爾等人建立量子力學等之後才完全解決，但這卻不是我們的重點。廣義相對論指出：在引力場的鐘會變慢，這也就意味著恆星表面處的鐘要比無窮遠的鐘要慢。這便是引力紅移現象。

在牛頓萬有引力近似下即：只需要測得紅移量和星體半徑 r，再扣除其他原因的紅移量即可算出星體的質量。而紅移量如圖可以透過特徵譜線的移動得到。

至此據我們建立恆星演化的標準模型還有另外一個量無法確定，也就是恆星離我們的距離，有了它我們就能夠建立一個由質量決定的恆星熱力學演化規律，得到關於恆星的一切資訊。 那麼接下來我們要談到標準燭光和標準尺。標準燭光又稱標準坎德拉是天文學中已經知道光度（絕對星等）的天體。只要知道它的光度，再結合我們望遠鏡看到的光度（視星等），透過簡單的計算就能得到其距離我們的遠近。

此處的 D 是距離，kpc 是千秒差距， m 是視星等，M 是絕對星等。 標準燭光的種類有很多，據此我們可以測定其相鄰區域的天體距離。常用的標準燭光如下：天琴座 RR 變星—屬於紅巨星的狀態，用於測量銀河系內和鄰近的球狀星團距離。食雙星—在最近這十年內，使用 8 米級的望遠鏡已經有能力測量食雙星的基本引數，因此可以利用它們測量距離。近年來，已經成功的用於測量大麥哲倫星系、小麥哲倫星系、仙女座星系和三角座星系的距離。食雙星提供了一種直接測量距離的方法。距離在 3 百萬秒差距附近的星系，可以將精確度改善至 5%以內。 造父變星—星系天文學的首選，可測量數千萬秒差距的距離。 紅巨星分支技術（TRGB）的距離指標。 Ia 型超新星—最大亮度的絕對星等與光度曲線有很明確的函式關係，可用於確認數億秒差距外的星系距離。

標準尺於此大同小異，是天文學上近似大小已知的天體，經由測量它們在天空中的視角直徑，可以測量出它們與地球的距離。 有了恆星的亮度、溫度、質量等資料，我們就可以建立恆星演化的標準模型。我們知道恆星演化是原子核物理主導的一個過程，這些在我們的核試驗和加速器實驗當中已經搞得足夠清楚了。目前的恆星演化模型以及能夠讓我們很清楚地看見恆星是怎樣一步一步發生核反應，邁入主序，又從主序離開發生各種後期如紅巨星擴張、伽馬射線爆等演化成或白矮星、或中子星或黑洞等天體。

目前恆星的演化模型是極其成功的，不僅給出了許多天文學上可以觀察到的現象，而且根據對太陽中微子的長期測量，人們發現了中微子振盪，這意味著中微子具有不為零的質量。這些與本問題無關，不多羅列。 總之，基於無數人的共同努力，我們對我們的宇宙的認識達到了前所未有的的高度。我們簡短的方程裡包含了的知識比過去無數哲學家思想家窮經皓首猜度的更加豐富更加準確；我們建立的清晰影象比那些神學家從字裡行間扣出來的更加貼合上帝的本意。滿天繁星匍匐在我們腳下，因為我們正朝著星空之上進軍。