形成什么样的物体?命运会是什么?能活多久?几乎所有东西都是由质量决定的。
宙充满了多样性。
NGC中心附近的这个小区域展示了蒸发的气态小球和自由漂浮的博克球的组合,因为尘埃从顶部的炽热,脆弱的细丝变成更密集,更冷的云,在下面形成新的恒星。颜色的混合反映了来自各种原子特征的温度和发射线的差异。这种中性物质反射星光,已知这种反射光与宇宙微波背景不同。(图片来源:NASA、ESA和STScI)
从单个粒子到超大质量黑洞,宇宙包含了这一切。
这幅三色合成图显示了美国宇航局斯皮策在三个不同波段成像的银河系中心:詹姆斯韦伯太空望远镜的前身。富含碳的分子,被称为多环芳烃,以绿色显示,而星星和温暖的尘埃也可见。我们的超大质量黑洞所在的辉光也是可识别的。在气云射手座B2中发现了甲酸乙酯的存在:相同的分子赋予覆盆子特有的气味。(图片来源:NASA/JPL-Caltech)
所有结合结构都具有许多物理性质。
从地球上看到的第二大黑洞,位于星系M87中心的黑洞,在这里以三个视图显示。顶部是哈勃望远镜的光学器件,左下角是NRAO的无线电,右下角是钱德拉的X射线。这些不同的视图具有不同的分辨率,具体取决于光学灵敏度,使用的光波长以及用于观察它们的望远镜镜的大小。这些都是黑洞周围区域辐射的例子,表明黑洞毕竟不是那么黑。(信用:光学:哈勃/美国宇航局/维基天空;无线电:NRAO/超大阵列;X射线:美国宇航局/钱德拉/CXC)
仅质量就可以大致确定它们的性质。
这张雪茄星系梅西耶82的特写视图不仅显示了恒星和气体,还显示了过热的银河系风以及它与更大,更大的邻居M81相互作用引起的膨胀形状。对梅西耶82等星系的多波长观测可以揭示正常物质的位置和数量,包括恒星,气体,尘埃,等离子体,黑洞等。(学分:R.Gendler、R.Croman、R.Colombari;致谢:R.杰伊·加巴尼;VLAData:E.deBlock(ASTRON))
单个原子很小:在10-30到10-28克之间。
正如JWST的光谱成像所揭示的那样,原子氢,分子氢和碳氢化合物等化学物质在狼蛛星云的空间中占据了不同的位置,这表明即使是单个恒星形成区域也可以有多么多变。原子、离子和分子都存在于整个宇宙中。(图片来源:NASA、ESA、CSA、STSci、WebbERO制作团队)
它们结合,形成更重的分子,通常高达~10-24克。
在恒星形成区域存在复杂的碳基分子是有趣的,但这不是人类所需要的。在这里,糖醛是单糖的一个例子,其位置与在星际气体云中检测到它们的位置相对应:与目前形成新恒星最快的区域偏移。星际分子很常见,其中许多是复杂的长链分子。(图片来源:ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/L.Cal?ada(ESO)NASA/JPL-Caltech/WISETeam)
各种分子结合在一起,从~10-14克开始形成尘埃颗粒。
富含尘埃的博克球的可见(左)和红外(右)视图,巴纳德68。红外光没有被阻挡那么多,因为较小尺寸的尘埃颗粒(直径低至约半微米)太少而无法与长波长光相互作用。在更长的波长下,可以揭示出更多的宇宙,超越遮光尘埃。(信用:ESO)
较大的颗粒会产生较大的不规则“团块”,质量高达~公斤。
奇怪的花生状小行星伊藤川的示意图。伊藤川是碎石堆小行星的一个例子,但对其密度的测定表明,这很可能是两个组成不同的天体合并的结果。它缺乏将自身拉成圆形所必需的质量/重力。(图片来源:ESO、JAXA)
然而,在此之上,物体达到流体静力平衡。
Mimas,如图所示,在年最近一次飞越卡西尼号时,半径只有公里,但由于它的自引力,它显然是圆形的。它主要由冰组成,它做到了较大的小行星灶神星和帕拉斯无法做到的事情:将自己拉成球形。然而,许多人争论它是否真的处于流体静力平衡状态,因为如果世界真的是由自引力塑造的,这里可见的大陨石坑赫歇尔可能不会持续存在。(图片来源:NASA/JPL-加州理工学院/空间科学研究所)
富含冰的物体在~3×kg处变成球形,而岩石/金属物体需要~3×公斤。
虽然地球和金星是太阳系中最大的两个岩石天体,但火星、水星以及多个最大的卫星、小行星和柯伊伯带天体都实现了流体静力平衡。(学分:艾米丽·拉克达瓦拉。数据来自NASA/JPL,JHUAPL/SwRI,SSI和UCLA/MPS/DLR/IDA,由GordanUgarkovic,TedStryk,BjornJonsson,RomanTkachenko和EmilyLakdawalla处理)
它们将保持固体表面,直到超过~千克:大约是地球质量的两倍。
美国宇航局开普勒任务发现的八个最像地球的世界:迄今为止最多产的行星发现任务。所有这些行星都围绕比太阳更小、更不明亮的恒星运行,所有这些行星都比地球大,其中许多可能拥有挥发性气体包层。虽然其中一些在文献中被称为超级宜居,但我们还不知道它们中是否有人有或曾经有过生命,但“岩石”和“富含气体”之间的边界仍在研究中。(图片来源:NASAAmes/WStenzel)
在此之上,物体变得富含气体,如海王星/土星,高达~公斤。
从大小上看,很明显,气态巨行星的世界远远超过了任何类地行星。也许令人惊讶的是,与地球相比,半径仅大约~30%(质量约为地球的两倍)的行星极有可能具有较大的气体包层,使大多数“超级地球”与海王星,天王星和土星属于同一类别:一个没有内部自压缩的富含气体的世界。(图片来源:CactiStaccingCrane/WikimediaCommons)
最重的行星实现了类似木星的自压缩:高达~2-3×公斤。
当我们按质量和半径对已知的系外行星进行分类时,数据表明只有三类行星:类地/岩石,具有挥发性气体包层但没有自压缩,以及具有挥发性包层和自压缩。任何高于此的东西首先成为褐矮星,然后成为恒星。行星大小在土星和木星之间的质量达到峰值,尽管有一些“浮肿”的超级木星,其成分可能异常轻。(学分:J.Chen和D.Kipping,ApJ,)
在氘聚变上方开始,形成一颗褐矮星。
系外行星开普勒-39b是已知质量最大的系外行星之一,质量是木星的18倍,位于行星和褐矮星之间的边界。然而,就半径而言,它只比木星大22%,因为氘聚变不会实质性地改变自压缩物体的大小。质量高达木星~80倍的物体仍然大致相同。(信用:ESO)
在1.5×公斤,氢聚变发生,表明一颗成熟的恒星。
(现代)摩根-基南光谱分类系统,每个恒星类别的温度范围显示在上面,以开尔文为单位。M级恒星的质量约为80木星质量,而O型恒星理论上可以达到数千甚至数万太阳质量。质量最小的恒星可以存活超过亿年,而质量最大的恒星将在万至万年内死亡。(图片来源:卢卡斯VB/维基共享资源;注释:E.西格尔)
出生在~8×KG以上的恒星演化成行星状星云/白矮星组合。
当我们的太阳耗尽燃料时,它将变成一颗红巨星,然后是一个行星状星云,中心有一颗白矮星。猫眼星云是这种潜在命运的一个视觉上壮观的例子,这个特殊星云错综复杂、分层、不对称的形状暗示着一个双星伴侣。在中心,一颗年轻的白矮星在收缩时升温,温度比产生它的红巨星高数开尔文。气体的外壳主要是氢,在类太阳恒星的生命结束时返回星际介质。(图片来源:北欧光学望远镜和罗马诺·科拉迪(艾萨克·牛顿望远镜组,西班牙))
以上~2×公斤变成超新星,变成中子星或黑洞。
X射线,光学和红外数据的组合揭示了蟹状星云核心的中心脉冲星,包括脉冲星在周围物质中关心的风和流出。中央明亮的紫白色斑点确实是蟹脉冲星,它本身以每秒约30次的速度旋转。这里显示的物质范围约为5光年,起源于大约0年前成为超新星的恒星,告诉我们喷射物的典型速度约为公里/秒。像这样的事件的总能量输出大约是太阳目前能量输出的亿倍。(信用:X射线:NASA/CXC/SAO;光学:美国宇航局/STScI;红外线:美国宇航局-JPL-加州理工学院)
质量更大的恒星残骸总是黑洞,没有质量上限。
该图显示了OJ系统中两个相互绕行的超大质量黑洞的事件视界的相对大小。较大的一个,~亿太阳质量,是海王星轨道大小的12倍;较小的1.5亿太阳质量,大约是小行星谷神星围绕太阳的轨道大小。已知最重的黑洞只比OJ的主黑洞大几倍(因此半径也大几倍)。(图片来源:NASA/JPL-Caltech/R.Hurt(IPAC))