天文科普:地球質量約為60萬億億噸,那么能算出更大更遠的恒星質量嗎
來源:科學信仰
發(fā)布時間:2022-05-30
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地球的質量為5.965x10∧24千克,也就約等于60萬億億噸。

每當說到這里的時候,總會有人產生疑問:“地球這么大,它的質量是怎么知道的”?我們之所以知道地球的質量,是兩個科學家告訴我們的,一個是牛頓,另一個則是卡文迪許。牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力,并且提出了萬有引力公式,即F=G(m1m2/r∧2)。任何兩個具有質量的物體之間都具有相互的引力作用,比如我們能夠腳踏實地的站在大地上就是因為地球的引力作用,而這個引力的大小就是F,也就是9.8N/kg。m1和m2分別表示兩個物體的質量,在上述的例子中,m1就是地球,而m2就是我們自己,至于r嘛,當然就是地球的半徑了。

在萬有引力公式之中,G代表萬有引力常數(shù),而在牛頓的時代,人們沒有找到測定萬有引力常數(shù)的方法,所以雖然有了萬有引力公式,但還沒有辦法計算地球的質量,直到卡文迪許的出現(xiàn)。

卡文迪許發(fā)明了一種簡單而有趣的實驗裝置,名為“扭秤”,這個實驗裝置的主體其實就是一根木棍、兩個小球和一根細線,卡文迪許就是利用這樣的一個裝置精準地測出了萬有引力常數(shù)為6.754x10∧-11。知道了萬有引力常數(shù),利用萬有引力公式很容易就能夠計算出m1的質量的,也就是地球的質量,結果為5.965x10∧24千克,約為60萬億億噸。

利用萬有引力公式可以輕松計算出地球的質量,那么如果是比地球大得多的恒星,比如太陽,我們是否也能計算出它的質量呢?

當然是可以的,不過這一次只用萬有引力公式是不行了,因為我們只能夠通過觀測確定太陽的半徑,卻沒有辦法跑到太陽上去測量重力加速度,怎么辦?這時就需要搬出另外一個公式了。這個公式就是開普勒公式,即:m1+m2=(4π∧2/G)(R∧3/P∧2)。在這個公式之中,m1為地球的質量,m2為太陽的質量,G依舊是萬有引力常數(shù),R是地球的軌道半徑,也就是地球與太陽的平均距離,至于P嘛,則是地球的軌道周期。在這個公式之中,唯一的未知數(shù)就是太陽的質量,所以我們可以將其計算出來。

使用開普勒公式計算出來的太陽質量為1.989x10∧30千克,是地球質量的33萬倍。

使用這個公式不僅能夠計算出太陽的質量,其它天體的質量一樣也可以計算出來。開普勒公式怎么能夠計算其它天體的質量呢?你一定會心存這樣的疑問,因為我們能夠使用開普勒公式來計算太陽的質量,是因為我們知道地球的質量,而對于其它天體而言,地球的質量可就用不上了。以火星為例,它有兩顆衛(wèi)星,分別為火衛(wèi)一和火衛(wèi)二,如果我們要用開普勒公式來計算火星的質量,可以隨便在火衛(wèi)一和火衛(wèi)二之中挑選一顆,就假設我們挑選火衛(wèi)一吧。

要使用開普勒公式來計算火星的質量,就必須要知道火衛(wèi)一的軌道半徑,還要知道火衛(wèi)一的軌道周期以及火衛(wèi)一的質量。

火衛(wèi)一的軌道半徑和火衛(wèi)一的軌道周期都可以通過觀測獲得,唯有火衛(wèi)一的質量,我們不得而知。不過不知道其實一點關系也沒有,因為在計算太陽質量的時候,如果我們不知道地球的質量,也絲毫不會影響到計算的結果。因為地球與太陽相比,太小了,質量幾乎可以忽略不計。同樣的,火衛(wèi)一與火星相比也太小了,質量也可以忽略不計,所以我們在計算的時候就可以假定火衛(wèi)一的質量為零,如此一來,火星的質量就可以計算出來了。

太陽系中的天體,我們可以使用開普勒公式來進行計算,那么如果某顆恒星距離我們十分遙遠,在數(shù)十乃至數(shù)百光年之外,而它的周圍又沒有圍繞其運行的行星,那么我們該如何計算它的質量呢?也有辦法。

我們可以通過觀察它的光度,還獲知它的質量。怎么獲知呢?簡單來講就是用某顆恒星的光度與太陽的光度進行對比。那么一顆恒星的光度與質量之間到底存在著怎樣的關系呢?用公式表示是這個樣子的:L(恒星光度)/L(太陽光度)=(M(恒星質量)/M(太陽質量))∧3.5。恒星光度、太陽光度以及太陽的質量都是已知的,所以自然也就可以獲知恒星的質量了。



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