Come calcolare la massa di una stella

Quasi tutto nell’universo ha massa, dagli atomi e dalle particelle subatomiche (come quelle studiate dal Large Hadron Collider) ai giganteschi ammassi di galassie. Le uniche cose che gli scienziati sanno finora che non hanno massa sono fotoni e gluoni. 

La massa è importante da sapere, ma gli oggetti nel cielo sono troppo distanti. Non possiamo toccarli e di certo non possiamo pesarli con mezzi convenzionali. Allora, come determinano gli astronomi la massa delle cose nel cosmo? È complicato. 

Stelle e messa

Supponiamo che una stella tipica sia piuttosto massiccia, generalmente molto di più di un tipico pianeta. Perché preoccuparsi della sua massa? Questa informazione è importante da sapere perché rivela indizi sul passato, presente e futuro evolutivo di una stella.

Gli astronomi che hanno utilizzato il telescopio spaziale Hubble hanno identificato nove stelle mostruose con masse più di 100 volte la massa del Sole. Si trovano nell’ammasso stellare R136 nella vicina Grande Nube di Magellano. La massa è una caratteristica importante quando si calcola la durata della vita delle stelle.
NASA / ESA / STScI

Gli astronomi possono utilizzare diversi metodi indiretti per determinare la massa stellare. Un metodo, chiamato lente gravitazionale, misura il percorso della luce che viene piegato dall’attrazione gravitazionale di un oggetto vicino. Sebbene la quantità di flessione sia piccola, misurazioni accurate possono rivelare la massa dell’attrazione gravitazionale dell’oggetto che esegue lo strattone.

Misurazioni tipiche della massa stellare

Gli astronomi hanno impiegato fino al 21 ° secolo per applicare lenti gravitazionali alla misurazione delle masse stellari. Prima di allora, dovevano fare affidamento sulle misurazioni delle stelle in orbita attorno a un centro di massa comune, le cosiddette stelle binarie. La massa delle stelle binarie (due stelle che orbitano attorno a un centro di gravità comune) è abbastanza facile da misurare per gli astronomi. In effetti, più sistemi stellari forniscono un esempio da manuale di come calcolare le loro masse. È un po ‘tecnico, ma vale la pena studiarlo per capire cosa devono fare gli astronomi.

Un’immagine del telescopio spaziale Hubble di Sirio A e B, un sistema binario a 8.6 anni luce dalla Terra.
NASA / ESA / STScI

In primo luogo, misurano le orbite di tutte le stelle nel sistema. Registrano anche le velocità orbitali delle stelle e quindi determinano quanto tempo impiega una data stella per attraversare un’orbita. Questo è chiamato il suo “periodo orbitale”. 

Calcolo della massa

Una volta che tutte queste informazioni sono note, gli astronomi eseguono alcuni calcoli per determinare le masse delle stelle. Possono usare l’equazione Vorbit = SQRT (GM / R) dove SQRT è la “radice quadrata” a, G è la gravità, M è la massa e R è il raggio dell’oggetto. È una questione di algebra estrarre la massa riorganizzando l’equazione da risolvere per M. 

Quindi, senza mai toccare una stella, gli astronomi usano la matematica e le leggi fisiche note per calcolarne la massa. Tuttavia, non possono farlo per ogni stella. Altre misurazioni li aiutano a capire le masse per le stelle non in sistemi binari o con più stelle. Ad esempio, possono utilizzare luminosità e temperature. Stelle di diversa luminosità e temperatura hanno masse molto diverse. Quelle informazioni, se tracciate su un grafico, mostrano che le stelle possono essere organizzate in base alla temperatura e alla luminosità.

Le stelle davvero massicce sono tra le più calde dell’universo. Le stelle di massa minore, come il Sole, sono più fredde dei loro giganteschi fratelli. Il grafico delle temperature, dei colori e della luminosità delle stelle è chiamato diagramma di Hertzsprung-Russell e, per definizione, mostra anche la massa di una stella, a seconda di dove si trova sul grafico. Se si trova lungo una curva lunga e sinuosa chiamata sequenza principale, gli astronomi sanno che la sua massa non sarà gigantesca né sarà piccola. Le stelle di massa più grande e di massa più piccola non rientrano nella sequenza principale.

Questa versione del diagramma Hertzprung-Russell traccia le temperature delle stelle rispetto alla loro luminosità. La posizione di una stella nel diagramma fornisce informazioni sullo stadio in cui si trova, nonché sulla sua massa e luminosità.
Osservatorio europeo meridionale

Evoluzione stellare

Gli astronomi sanno bene come nascono, vivono e muoiono le stelle. Questa sequenza di vita e morte è chiamata “evoluzione stellare”. Il più grande predittore di come si evolverà una stella è la massa con cui è nata, la sua “massa iniziale”. Le stelle di piccola massa sono generalmente più fredde e più deboli delle loro controparti di massa superiore. Quindi, semplicemente osservando il colore, la temperatura e il luogo in cui “vive” una stella nel diagramma Hertzsprung-Russell, gli astronomi possono avere una buona idea della massa di una stella. I confronti di stelle simili di massa nota (come le binarie menzionate sopra) danno agli astronomi una buona idea di quanto sia massiccia una data stella, anche se non è binaria.

Naturalmente, le stelle non mantengono la stessa massa per tutta la vita. Lo perdono con l’avanzare dell’età. Consumano gradualmente il loro combustibile nucleare e alla fine sperimentano enormi episodi di perdita di massa alla fine della loro vita. Se sono stelle come il Sole, lo soffiano via delicatamente e formano nebulose planetarie (di solito). Se sono molto più massicci del Sole, muoiono in eventi di supernova, dove i nuclei collassano e poi si espandono verso l’esterno in un’esplosione catastrofica. Questo fa esplodere gran parte del loro materiale nello spazio.

Immagine composita della Nebulosa del Granchio, un residuo di supernova che ha annunciato la morte di una stella molto massiccia.
NASA / ESA / ASU / J. Hester e A. Loll

Osservando i tipi di stelle che muoiono come il Sole o muoiono nelle supernove, gli astronomi possono dedurre cosa faranno le altre stelle. Conoscono le loro masse, sanno come altre stelle con masse simili si evolvono e muoiono, e quindi possono fare delle previsioni piuttosto buone, basate su osservazioni di colore, temperatura e altri aspetti che li aiutano a capire le loro masse.

C’è molto di più nell’osservare le stelle che nella raccolta di dati. Le informazioni ottenute dagli astronomi sono raggruppate in modelli molto accurati che li aiutano a prevedere esattamente ciò che le stelle nella Via Lattea e in tutto l’universo faranno quando nascono, invecchiano e muoiono, tutto in base alla loro massa. Alla fine, queste informazioni aiutano anche le persone a capire di più sulle stelle, in particolare sul nostro Sole.

Fatti veloci

  • La massa di una stella è un importante predittore di molte altre caratteristiche, inclusa la durata della sua vita.
  • Gli astronomi usano metodi indiretti per determinare le masse delle stelle poiché non possono toccarle direttamente.
  • In genere, le stelle più massicce vivono una vita più breve rispetto a quelle meno massicce. Questo perché consumano il loro combustibile nucleare molto più velocemente.
  • Stelle come il nostro Sole sono di massa intermedia e finiranno in un modo molto diverso rispetto alle stelle massicce che si faranno saltare in aria dopo poche decine di milioni di anni.