根據(jù)赫羅圖了解光度學(xué)質(zhì)量

圖21 我國科技工作者制作或翻譯的赫羅圖，埃納·赫茨普龍和亨利·諾利斯·羅素在1910年代創(chuàng)建的。下面的橫坐標(biāo)是光譜型，上面的橫坐標(biāo)是恒星的表面溫度，比如我們太陽的表面溫度五千到六千開爾文之間。左邊的縱坐標(biāo)是可見光度，也就是恒星單位時(shí)間發(fā)出的總能量。右邊的縱坐標(biāo)是絕對星等，也就是把恒星放在同樣距離的亮度。

我們的太陽處于中間區(qū)域，這是很美妙的狀況，客觀上也基本如此，也有我們有意而為之的成分，比如，可見光度是以太陽為中心參考的。主序列恒星幾乎分布在同一條線上，表面溫度存在巨大差異?？傮w趨勢就是光度越大，質(zhì)量越大。因?yàn)橘|(zhì)量決定溫度，而溫度決定光度。恒星的光度與恒星的表面積成正比，與恒星的表面溫度的四次方成正比，這體現(xiàn)了恒星的光度與表面溫度呈現(xiàn)著極強(qiáng)的正向關(guān)系。

根據(jù)圖表中各個(gè)恒星所處的位置，可以計(jì)算恒星的體積，還可以大致推測恒星的質(zhì)量。比如，左上角的恒星都是大質(zhì)量恒星，右下角的恒星都是小質(zhì)量恒星。當(dāng)然，恒星之間的質(zhì)量差異遠(yuǎn)沒有光度的差異大。恒星質(zhì)量越大，溫度就越高。

恒星光度與表面溫度的四次方成正比，主序列恒星的光度與質(zhì)量的三點(diǎn)五次方成正比，這顯示恒星質(zhì)量與溫度存在正向關(guān)系。大致是恒星質(zhì)量每增加1倍，其表面溫度提高0.6倍，也就是質(zhì)量增加的幅度比溫度增加的幅度大。在銀河系或其他星系中，主序列恒星數(shù)量大致占據(jù)90%。

在赫羅圖中，對于主序列恒星來說，橫坐標(biāo)還可以代表質(zhì)量，越靠左，質(zhì)量越大。同樣的道理，對于主序列恒星來說，縱坐標(biāo)還可以代表體積，越向上，恒星體積越大。

光度就是恒星單位時(shí)間內(nèi)輻射的能量，主序列恒星的光度與質(zhì)量的三點(diǎn)五次方成正比。恒星質(zhì)量翻番，其發(fā)光能力，即輻射能量的能力提高11倍多。能量即物質(zhì)，這意味著單位質(zhì)量的物質(zhì)損耗速度是之前的5倍多，也就是核聚變耗費(fèi)的氫元素速度比質(zhì)量小一半的恒星大5倍多。這意味著其核聚變壽命會(huì)比質(zhì)量小一半的天體少得多，只是其五分之一。恒星質(zhì)量翻番，核聚變壽命遞減到之前的五分之一。這意味著我們現(xiàn)在銀河系中大質(zhì)量恒星早已經(jīng)衰老，依然能核聚變的大質(zhì)量恒星極其罕見了。在銀河系形成初期，或宇宙可以大規(guī)模形成恒星的初期，大質(zhì)量恒星數(shù)量或比例應(yīng)該相當(dāng)可觀，甚至宇宙恒星質(zhì)量主要分布在大質(zhì)量恒星群體中?，F(xiàn)在這些曾經(jīng)的大質(zhì)量恒星，早已經(jīng)變成黑洞了，成為恒星團(tuán)的核心天體了。

總之，科學(xué)家們可以根據(jù)恒星的發(fā)光情況，推測恒星的質(zhì)量，這就是我們前面多次提到的光度學(xué)質(zhì)量。主序列恒星可以輕松算出相應(yīng)質(zhì)量，赫羅圖左下角的矮星或右上角的巨星也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算出質(zhì)量?？傊?，只要看得見的天體，都可以估算出質(zhì)量，天體系統(tǒng)所有看得見的天體估算的質(zhì)量加到一起，就是這個(gè)天體系統(tǒng)的光度學(xué)質(zhì)量。

光度學(xué)質(zhì)量毫無疑問是存在缺陷的，一定會(huì)遺漏一些天體及其質(zhì)量。究竟能遺漏多少呢？百年前，科學(xué)家認(rèn)為會(huì)遺漏較少的，不會(huì)太多。后來，根據(jù)引力質(zhì)量，科學(xué)家才認(rèn)識到光度學(xué)質(zhì)量遺漏的太多，太不靠譜，從而促使暗物質(zhì)概念產(chǎn)生。

我們通過赫羅圖可以感覺到，光度學(xué)質(zhì)量只能計(jì)算可以看得到的天體的質(zhì)量。中子星、黑洞這些發(fā)光少或不發(fā)光的大質(zhì)量天體，不能被統(tǒng)計(jì)在光度學(xué)質(zhì)量內(nèi)。中子星、黑洞的數(shù)量有多少，暫時(shí)不好說！這自然會(huì)成為光度學(xué)質(zhì)量遺漏的重要部分。實(shí)際上也會(huì)遺漏一部分發(fā)光不強(qiáng)的紅矮星，而紅矮星占據(jù)銀河系恒星數(shù)量的70%，距離太陽系最近的比鄰星是紅矮星。也就是說，從赫羅圖上看，光度學(xué)質(zhì)量會(huì)遺漏主序列恒星兩端或之外的天體，這也許是宇宙中物質(zhì)的主體部分。

在赫羅圖中，我們不要以為太陽位于中部，而認(rèn)為太陽這樣的天體是宇宙中天體的主體。其實(shí)，比太陽質(zhì)量小的恒星，才是恒星的主體部分。而太陽這樣的恒星，質(zhì)量略偏大一些。那些在赫羅圖中左上角的恒星數(shù)量就更少了，而右下角比太陽質(zhì)量小的恒星才是恒星的主體。也就是說，赫羅圖中的主序列，從左向右，恒星數(shù)量逐漸增加，越往左下角，恒星數(shù)量越多，恒星數(shù)量占比越高。