كيف يحدد علماء الفلك الكتلة النجمية

كتلة النجوم

كل شيء في الكون تقريبًا له كتلة من الذرات والجسيمات دون الذرية مثل تلك التي تمت دراستها في مصادم الهادرون إلى عناقيد المجرات العملاقة، والشيء الوحيد الذي يعرفه العلماء ولا يحتوي على كتلة هو الفوتونات والجلوؤنات، ومن المهم معرفة الكتلة لكن الأجسام الموجودة في السماء بعيدة جدًا ولا يمكننا أن نلمسها وبالطبع لا يمكننا أن نزنها بالوسائل التقليدية.

نفترض أن النجم النموذجي ضخم جدًا وعادة ما يكون هناك أكثر من كوكب نموذجي، ولماذا تعتبر كتلته مهمة بالنسبة لنا؟ هذه المعلومات مهمة لأنها توفر أدلة حول تطور النجم في الماضي والحاضر والمستقبل، كما حدد علماء الفلك الذين يستخدمون تلسكوب هابل الفضائي تسعة نجوم فائقة الكتلة كتلتها تزيد عن 100 ضعف كتلة الشمس، وتقع هذه النجوم في العنقود النجمي” R136″ في سحابة ماجلان الكبيرة المجاورة، والكتلة هي خاصية مهمة في تحديد عمر النجوم.

حيث يقوم علماء الفلك باستخدام العديد من الطرق الغير مباشرة لتحديد الكتلة النجمية إحدى التقنيات، تسمى عدسة الجاذبية كما إنها تعمل علي قياس مسار انحناء الضوء تحت تأثير الجاذبية لأي جسم قريب على الرغم من أن مقدار الانحناء صغير، إلا أن القياسات بدقة يمكن أن تكشف عن كتلة الجاذبية للجسم الذي يتم سحبه.

قياسات كتل النجوم النموذجية

استخدم علماء الفلك عدسات الجاذبية لقياس الكتل النجمية حتى القرن الحادي والعشرين. وقبل ذلك، كانوا يقيسون النجوم التي تدور حول مركز كتلة مشترك، ويسمونها النجوم الثنائية. كما يجد العلماء أنه من السهل جدا قياس كتلة النجوم الثنائية، حيث يدور نجمان حول مركز جاذبية مشترك. وتوفر أنظمة النجوم المتعددة مثالا مكتوبا حول كيفية اكتشاف كتلها، وهذا سؤال تقني بعض الشيء، لكنه يستحق البحث لفهم ما يجب على علماء الفلك فعله.

يتم قياس مدارات جميع النجوم في النظام أولاً، ويتم تسريع السرعات المدارية للنجوم، ثم يتم تحديد المدة التي يستغرقها نجم محدد لاجتياز مدار واحد، ويُطلق على هذه الفترة الفترة المدارية.

حساب كتلة النجوم

بمجرد معرفة كل هذه المعلومات يقوم علماء الفلك بإجراء حسابات لتحديد كتل النجوم، ويمكنهم استخدام المعادلة “Vorbit = SQRT (GM / R)”، حيث “SQRT” هو الجذر التربيعي، G هو ثابت الجاذبية، M هو الكتلة، و R هو نصف قطر الجسم، كما يعد اشتقاق الكتلة عن طريق إعادة كتابة المعادلة لحلها من أجل M مسألة جبرية.

لذلك، حتى من دون لمس نجم، يقوم علماء الفلك باستخدام الرياضيات وقوانين الفيزياء المعروفة لتحديد كتلته، ومع ذلك، لا يستطيعون القيام بذلك لكل نجم. يساعدهم أيضا القياسات الأخرى في معرفة الكتل النجمية المفقودة في الأنظمة الثنائية أو متعددة النجوم. على سبيل المثال، يمكنهم استخدام السطوع ودرجة الحرارة للنجوم الملمعة والمختلفة في درجات الحرارة لتحديد كتلها المختلفة تماما. توضح هذه المعلومات، المرسومة على الرسم البياني، أنه يمكن ترتيب النجوم حسب درجة حرارتها وسطوعها.

النجوم الضخمة حقًا هي من أكثر النجوم سخونة في الكون النجوم الأقل ضخامة مثل الشمس أبرد من نظيراتها العملاقة، ويُطلق على مخطط درجة حرارة النجوم ولونها وسطوعها مخطط “Hertzsprung Russell”، وبحسب التعريف فإنه يُظهر أيضًا كتلة النجم اعتمادًا على مكانه في الرسم البياني إذا كان على طول منحنى طويل متعرج يسمى التسلسل الرئيسي، فإن علماء الفلك يعرفون أن كتلت النجم لا تكون عملاقة أو صغيرة أكبر وأصغر النجوم خارج التسلسل الرئيسي.

تطور النجوم

علماء الفلك لديهم معرفة جيدة بكيفية تكون النجوم وحياتها وموتها، وهذا التسلسل في الحياة والموت يسمى التطور النجمي. وأكبر عامل يؤثر في تطور النجم هو الكتلة التي يولد بها، وعادة ما تكون النجوم ذات الكتلة المنخفضة أبرد وأكثر ظلاما من نظرائها ذات الكتلة العالية. وبالتالي، من خلال النظر إلى لون النجم ودرجة حرارته وموقعه على مخطط هيرتزبرونج-راسل، يمكن لعلماء الفلك الحصول على فكرة جيدة عن كتلة النجم، ومقارنة النجوم بكتل معروفة مثل النجوم المزدوجة يمكن أن يعطيهم فكرة عن حجم نجم معين حتى إذا لم يكن ثنائيا.

 تتغير كتلة النجوم طوال دورة حياتها، إذ تستهلك النجوم وقودها النووي تدريجيا كلما تقدمت في العمر، وتفقد جزءا من كتلتها في نهاية دورتها الحياتية. إذا كانت النجمة شبيهة بالشمس، فإنها تنفجر بلطف وتتحول إلى سديم كوكبي، أما إذا كانت أكبر بكثير من الشمس، فسوف تموت في انفجار مستعر أعظم حيث تنهار النواة ثم تتوسع إلى الخارج بشكل كارثي، ويتم إطلاق جزء من مادتها في الفضاء.

من خلال مراقبة أنواع النجوم التي تموت مثل الشمس أو تموت كمستعرات عظمى، يمكن لعلماء الفلك استنتاج ما التي تقوم به النجوم الأخرى إنهم يعرفون كتلهم، وكيف تتطور النجوم الأخرى ذات الكتل المتشابهة وتموت، ولذا يمكنهم عمل تنبؤات جيدة بناءً على ملاحظات اللون ودرجة الحرارة والجوانب الأخرى التي تساعدهم على فهم كتلهم.

مراقبة النجم ليست مجرد جمع البيانات، بل تتضمن تجميع المعلومات في نماذج عالية الدقة التي تساعد العلماء في التنبؤ بدقة بالنجوم التي ستولد في مجرة درب التبانة وفي جميع أنحاء الكون عندما يولدون ويتقدمون في العمر ويموتون اعتمادا على كتلتها. وتساعد هذه المعلومات الأشخاص أيضا على معرفة المزيد عن النجوم، وخاصة شمسنا.

تكوّن النجوم

تتكون النجوم في السحب المتناثرة من الغبار وتنتشر في معظم المجرات، حيث يتم تحفيز التفاعلات داخل هذه السحب عند وجود كمية كبيرة من الغبار والغاز. يبدأ الغاز والغبار في التراكم تحت تأثير جاذبية الأرض، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات حرارة المواد في المركز، وبالتالي يتحول هذا المركز الساخن في وسط السحابة المنطوية إلى نجم.

تشير النماذج ثلاثية الأبعاد لتشكيل النجوم إلى أن سحب الغاز المضغوط والغبار المدور في دائرة يتقسم إلى نقطتين أو ثلاث نقاط، وهذا يفسر سبب وجود معظم النجوم في مجرة درب التبانة على شكل أزواج أو مجموعات. يجب أيضا أن نلاحظ أنه لا يتحول كل هذا المواد إلى نجوم، حيث يمكن للغبار المتبقي أن يتحول إلى كواكب أو كويكبات أو مذنبات أو يبقى غبارا.

ولادة النجوم

تولد النجوم في السحب الترابية نتيجة الاضطرابات والتفاعلات التي تحدث داخل هذه السحب، وعند وجود غاز وغبار كافيين بسبب قوة الجاذبية بينهما، ونتيجة لارتفاع درجة حرارة المركز في هذه السحب، حيث تكونت نتيجة عملية الانهيار، ومع استمرار تدفق الغبار نحو المركز تزداد كتلته ودرجة حرارته، وبعد ملايين السنين يتحول إلى نجوم بسيطة.

يؤدي تشكل الهيليوم وإنتاج الطاقة إلى زيادة درجة حرارة النجم تدريجياً، وعندما يصل حجم النجم الأول إلى حوالي 0.1 ضعف كتلة الشمس، يحدث تدفق ثنائي القطب إلى الخارج، حيث ينبثق تياران كبيران من الغبار من النجم بعيدًا عن سطحه المتوهج ويؤدي ذلك إلى استقرار النجوم.

موت النجوم

كيف تموت النجوم وتختفي على اختلاف كتلتها كالتالي:

النجوم منخفضة الكتلة

 يمكن للنجوم ذات الكتلة المنخفضة فقط إذابة عنصر الهيدروجين، ولذلك عندما يتم استهلاك عنصر الهيدروجين، يتوقف عملية الاندماج ويبدأ النجم في الانكماش حتى يتحول إلى قزم أبيض.

النجوم متوسطة الكتلة

 تتكبد النجوم ذات المتوسطة الكتلة زيادة في الحجم حتى تصبح عمالقة حمراء، وتقوم بإطلاق انفجارات ضخمة لقصف سديم الكويكب، قبل أن تنهار وتصبح قزمًا أبيض نصف قطره لا يتجاوز بضعة آلاف من الكيلومترات.

النجوم عالية الكتلة

 تخضع النجوم عالية الكتلة إما لانفجار كربون أو دورات اندماج أو انصهار إضافية تشكل عناصر ثقيلة تستخدمها كوقود نووي، وتستهلك أيضًا عناصر ثقيلة مثل الحديد في دورات انفجارية تؤدي إلى تراكمها في المركز فائض الكتلة، والمركز هو حدود شاندراسيخار، والتي تبلغ 1.44 مرة كتلة الشمس، مما يؤدي إلى انهيار النجم.