隔著遙遠的距離,科學是怎麼知道恒星溫度的?看看恒星有多亮就行

天空之城 2022/04/12 檢舉 我要評論

晴朗的夜晚,點點繁星猶如鑲嵌在夜幕中的寶石。它們之中有的很明亮,有的很暗淡;有的呈現出藍色,有的卻是紅色的。據科學家統計,整個天空中肉眼可見的行星大約有6000多顆。這其中只有5顆是太陽系中的行星,其它的都是距離我們十分遙遠的恒星。

夜空中的恒星

恒星是能夠自身發光發熱的。所以它們都和太陽一樣具有很高的溫度。例如科學家告訴我們,夜晚最明亮的恒星天狼星表面溫度為9940K。(K是熱力學溫度單位。一般所說的絕對零度就是0K,也就是零下273.15℃)

那麼很多朋友會很好奇,天狼星距離我們有8.6光年(81萬億公里)之遙。隔著這麼遙遠的距離, 科學家是怎麼知道天狼星表面溫度的呢?在平常生活當中,我們要想知道一個物體的溫度,只要拿個溫度去測量一下就知道了。但是天狼星離我們太遠了。難不成科學家拿著溫度計跑到天狼星那里去測量吧!顯然這是不現實的。

燒紅的鐵塊

在了解科學家如何知道恒星的溫度之前,我們先來了解一個生活當中能夠見到的場景。當我們燒一個鐵塊時會發現,隨著溫度的升高,鐵塊的顏色會發生變化,由暗紅色變成紅色、橙色、黃色,當溫度繼續升高時還會變成白色、藍色。

通過燒鐵塊我們發現,鐵塊呈現出暗紅色和紅色時溫度相對較低,而鐵塊呈現出白色和藍色時溫度會變得很高。恒星也是這樣的。恒星的不同顏色暗示著它們具有不同的表面溫度。例如,獵戶座的參宿七是一顆藍色的恒星。獵戶座的參宿四是一顆紅色的恒星。這就意味著參宿七的表面溫度要比參宿四高很多。

獵戶座中的恒星

通過恒星的顏色,我們可以知道恒星表面的高低。那科學家是怎麼知道遙遠的恒星表面溫度的具體數據的呢?是計算出來的。計算恒星的表面溫度用到了一條物理定律,叫作 斯特藩-波爾茲曼定律。這條定律是由斯洛文尼亞的物理學家約瑟夫-斯特藩和奧地利的物理學家路德維希-玻爾茲曼分別在1879年和1884年各自獨立提出來的。

奧地利的物理學家路德維希-玻爾茲曼

斯特藩-波爾茲曼定律指的是一個黑體表面單位面積輻射出的總功率與黑體本身的熱力學溫度的四次方成正比。什麼是黑體?黑體是熱力學術語,是一個理想化的物體。它能夠吸收外來的全部電磁輻射,并且不會有任何的反射和透射。

紅色的恒星

黑體的定義晦澀難懂?沒有關系,我們只要記住一點就行了。我們可以把恒星看作是一個黑體。這樣我們就可以用斯特藩-波爾茲曼定律來計算恒星近似的表面溫度了。計算恒星表面溫度的公式為: L=σ4πR²T^4

簡單的了解一下這個公式,L是恒星的光度。σ(西格瑪)是斯特藩-玻爾茲曼常數,約等于5.67×10-8 W·m-2·K-4。R是恒星的半徑(單位為米),所以4πR²就是恒星的表面積。而T就是我們想要知道的恒星表面溫度(單位為K)。

藍色的恒星

通過這個公式得知,只要我們知道 恒星的光度,即恒星有多亮;知道了 恒星的半徑,即恒星有多大,我們就能計算出恒星的表面溫度。而恒星的半徑大小和光度都是可以通過儀器測量出來的。我們將這些數值代入公式就可以計算出恒星的表面溫度T。

這里有個問題,科學家可以用專業的儀器測量恒星的半徑和光度,而我們這些普通的天文愛好者沒有這些儀器怎麼辦?如何知道恒星的半徑和恒星的光度呢?有朋友說了,查資料唄。是的,通過查詢資料,這些數據都能夠查出來,就連恒星的表面溫度科學家也給我們計算好了啊!

天狼星

假如我們只知道一顆恒星的半徑和它的視星等亮度以及它到地球的距離,怎麼計算出它的表面溫度呢?這個也很容易。我們就以天狼星為例吧!天狼星距離地球大約8.6光年。它的半徑約為太陽的1.711倍,也就是大約119萬公里。天狼星是夜晚最亮的恒星,視星等為-1.47。

我們知道了天狼星到地球的距離和視星等亮度,就可以計算出天狼星的絕對星等亮度。絕對星等是假定把恒星放在距離地球32.6光年的地方測得的恒星亮度。它可以反映出恒星的真實發光本領。

絕對星等

絕對星等的計算公式為M=m+5㏒10 d0/d。其中,m是視星等,d0是32.6光年,d為該恒星到地球的距離。

把天狼星的相關數據代入公式計算,我們得知天狼星的絕對星等為1.4。這是有多亮呢?我們得把它和太陽比較一下。太陽的絕對星等為4.83。天狼星的絕對星等比太陽亮了3.41等。天文學家發現, 1等星要比6等星亮100倍,每個相鄰的星等之間亮度相差2.512倍。天狼星的亮度是太陽的2.512^3.14=23.6倍。

太陽表面

現在我們知道了天狼星的光度是太陽的23.6倍。太陽的光度為3.827×10^26瓦,所以,天狼星的光度為9.03×10^27瓦。

知道了天狼星的半徑R和天狼星的光度L,我們把這些數據代入斯特藩-玻爾茲曼定律就可以計算出天狼星的表面溫度了,結果為9717K(大約9400℃)。這和我們在一些資料上查到的天狼星表面溫度很接近。

宇宙中的恒星

所以,只要知道了 恒星半徑大小,恒星的視星等以及它到地球的距離,我們就能夠計算出恒星的表面溫度。

至于計算過程中涉及的對數、指數和開方等這些較為復雜的計算,在網上有很多針對性的計算器,我們只要輸入相應的數值就計算出來了,很簡單。利用斯特藩-波爾茲曼定律計算恒星的表面溫度很有趣。感興趣的朋友可以試一下哦!

這樣以后和朋友們聊天吹牛時又有新的談資了。

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