恆星的顏色可以告訴我們什麼信息?

2021-01-15 騰訊網

根據哈勃的說法,通過觀察恆星的顏色我們可以知道恆星是在遠離還是靠近我們,也可以知道它們運動的加速度。我最近讀到的一篇文章裡說,恆星的顏色還能表明它是一顆年輕的星球還是一顆古老的星球。請問這個說法是真的嗎?

圖解 :在天文學,恆星分類是將恆星依照光球的溫度分門別類,伴隨著的是光譜特性、以及隨後衍生的各種性質。根據維恩定律可以用波長來測量物體表面的溫度,但對距離遙遠的恆星是非常困難的。恆星光譜學提供了解決的方法,可以根據光譜的吸收譜線來分類:因為在一定的溫度範圍內,只有特定的譜線會被吸收,所以檢視光譜中被吸收的譜線,就可以確定恆星的溫度。早期(19世紀末)恆星的光譜由A至P分為16種,是目前使用的光譜的起源。

圖解:赫羅圖是以恆星的絕對星等或光度相對於光譜類型或有效溫度繪製的散布圖。更簡單的說,它將每顆恆星繪製在一張圖表上,可以測量它的溫度(顏色)和光度,而它與每顆恆星的位置無關。相關的顏色-星等圖(CMD,colour–magnitude diagram)繪製的是恆星的視星等和顏色,通常是針對恆星都在相同距離上的星團繪製。

從某種程度上而言,以上兩種說法都是正確的。本質上說,恆星發出的光的顏色與其年齡是有一定關係的。不過我們實際觀察到的光的顏色和光相對於地球的移動速度有關。

恆星發出的各種顏色的光具有多種不同波長,而從光發射密度最大的地方發出的光線波長則和恆星的溫度有關。恆星溫度越高,顏色就越藍;溫度越低,顏色就越紅。

光的顏色和恆星的年齡有關,主要體現在以下幾個方面。恆星的大部分壽命都處於一個叫做「主星序」的階段。在此階段,恆星內部在進行氫的核燃燒,燃燒過程中產生的能量則用來平衡引力的作用。當星球內部的氫燃燒殆盡時,恆星的平衡即被打破,其形狀大小和溫度都可能發生改變。對於某些恆星而言,尤其是那些從形成起溫度就很高的恆星,在「主星序」階段其溫度會下降,因此顏色會變紅。這也可以解釋,為什麼年齡大的恆星比年輕的恆星的顏色要紅。

圖解:太陽是黃矮星的標準範例。

但是,我們在談論恆星壽命和它們顏色的關係時,這裡所說的恆星仍然處於「主星序」階段,因為主星序是恆星絕大部分壽命所處的階段。一般而言,恆星處於主星序時的溫度越高(即藍色越深),表明氫燃燒的速度越快,滅亡的速度也越快。所以,如果你看到一顆處於主星序的藍色星球,說明這顆恆星還比較年輕,否則它早就已經燃燒殆盡了。不過反過來就不成立了。也就是說,你看到一顆恆星顏色是紅的,但並不代表這就是一顆年紀大的恆星!只有在考察一堆恆星的時候,這個判斷方法才適用(比如說遙遠星系裡的所有星球)。如果你看到的恆星全都呈現紅色,那便可以推測:在最近一段時間內,該星系並沒有新的星球產生,否則的話你應該可以偶爾看到一些年輕的藍色恆星。既然看不到藍色恆星,由此就可以辨識出,該星系的恆星一定是年齡較大的。

以上理論都與恆星發出的光顏色有關。但是我們還必須考慮到,光在從恆星上發出來到我們觀察到它的過程中可能發生的變化。在這種情況下,一種叫做「都卜勒效應」的變化會改變光波的頻率。又因為光線的頻率與其顏色直接相關,所以光線的顏色也會相應發生改變。這跟火車從你身邊飛馳而過時產生的效果很相像。火車的汽笛聲的音高在這個過程中是從高到低的。當都卜勒效應應用於光波而非聲波時,會導致由某種遠離我們的物質所發射的光線的紅色變深;反之,某種靠近我們的物質所發出的光線顏色就會更藍。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. Dave Rothstein-小米酒-中子星

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