直接當面詢問女士的年齡是一件困難的事,即使問到了答案,也不一定正確,這時只能靠舉止表現以及外貌來估計,雖說有點難度,但和估計星星的歲數比較起來,還只能算是小case。因為宇宙的時間尺度遠過人類的想像,如果將整個宇宙史當成一年看待,偉大的牛頓是在十二月三十一日的最後一秒才出現,但天文學家可有朝菌知晦朔,蟪蛄知春秋的本領,可以合理地估算長達數百萬,甚至一百多億的年歲。
圖一 橫座標是依照表面溫度排列,縱座標則是光度,越靠近左邊的溫度越高,越靠近上半部的光度最強,太陽則是在圖中央偏右下的位置。 圖/Adam Jensen
赫羅圖是星星一生變化的演示圖(如圖一),天文學家利用它分析星星的一生,也可以藉以推算星星的年齡。只要有星星的顏色和光度(星星每秒發出的能量),就可以在赫羅圖找到對應的位置。
星星的顏色代表了表面溫度,天文學家根據顏色或表面溫度,將星星分成九類,依照溫度高低,依序以英文字母表示為O、B、A、F、G、K、M、L和T,O型星的溫度最高,T型星的溫度最低。天文學家將某個星團內的星星標示在赫羅圖上,出乎意料之外,星星並不是隨意地分布,大多數星星是分布在一對角線的帶狀上,這些星星稱作主序星,也就是身處壯年的星星。
另外有一些分布在顏色偏紅卻很亮的右上區域,稱作紅巨星或超紅巨星,還有少數分布在高溫卻很暗的位置,稱作白矮星。透過詳細的研究,天文學家現在知道,星星誕生之後,便進入主序星的位置,經過漫長的歲月後,會移到紅巨星的位置,最後到白矮星的位置,如果一開始的星星夠大,則會經過超新星爆炸,變成中子星或黑洞。
赫羅圖除了表面溫度和光度的資料,還可以顯示星星的質量和體積。越靠近左上角的主序星,質量越大,越靠近右下角的質量越小。另外在右上角的星星體積較大,左下角的體積較小,所以紅巨星不僅顏色偏紅,體積也比較大,而白矮星除了顏色偏藍白外,體積卻很小。
質量大的星星,壽命反而比較短,也許是胖子的健康狀況不佳,老的快。質量是太陽十倍的星星,待在主序星的時間大約只有一千萬年,太陽則是一百億年。因此屬於同一星團的星星,質量大的星星很快就離開主序星的位置,如圖二是球狀星團M55的赫羅圖,原先在左上角位置的主序帶,已經偏離到紅巨星的位置,偏離的轉折點代表了星團的年齡,轉折點越向右下,表示該星團的年齡越大,經過電腦計算,天文學家便可以推算出星團的年紀。
圖二 M55的赫羅圖 圖/B.J. Mochejska, J. Kaluzny
天文學家曾經估計過一百多億年前的星星,使用的方式是放射性物質定年法,這和估計地球年齡的方式相同。放射性物質是不穩定的物質,經過一段時間(稱作半衰期),會有一半的物質轉變成另一種物質,例如元素鈾238經過四十五億年會有一半轉變成穩定的鉛206,如果我們知道鉛的原始含量,就可以比較鈾238和鉛206現在的含量,推算出年紀,利用這種方式,我們測量出地球最老的岩石年紀約四十億年,月球和隕石的年紀約四十六億年。