درس النجوم والمجرات

 

النجم والوسط بين النجوم

• أهداف الدرس: أن تشرح دورة حياة النجم، وتصف أنواع المجرات، وتوضح تركيب مجرة درب التبانة.
• النجم (Star): جرم غازي متوهج تتولد الطاقة في باطنه بتفاعلات الاندماج النووي. يمر النجم بدورة حياة تمتد مليارات السنين: يولد ثم يتطور ثم يموت، ومن بقاياه تولد نجوم جديدة.
• تجمعات النجوم:
  • النجوم المزدوجة (Binary star): نجمان مرتبطان بالجاذبية يدور كل منهما حول الآخر.
  • الحشود النجمية (Star Cluster): تجمعات تضم مئات الآلاف من النجوم.
• الوسط بين النجوم (Interstellar medium): غاز وغبار تختلف كثافته من منطقة لأخرى. أغلبه هيدروجين وهيليوم، وفيه بعض العناصر الأثقل مثل الكربون والأكسجين والنيتروجين والسيليكون.
• ولادة النجم:
  1. تنكمش سحابة جزيئية تحت تأثير جاذبيتها.
  2. يتكوّر الغاز والغبار فيتكوّن النجم الأولي.
  3. يزداد الضغط فترتفع الحرارة.
  4. عند 10–15 مليون درجة مئوية يبدأ الاندماج النووي وتحوّل الهيدروجين إلى هيليوم، وتبدأ بذلك حياة النجم.

التوازن الهيدروستاتيكي ومخطط H-R

• التوازن الهيدروستاتيكي (Hydrostatic Equilibrium): يستقر النجم عندما يتوازن ضغط الحرارة الذي يدفع الطبقات نحو الخارج مع قوة الجاذبية التي تشدها نحو الداخل.
• كتلة النجم تحدد حرارته وحجمه ولونه. يتدرج اللون من الأحمر (الأقل سخونة) إلى الأصفر ثم الأبيض ثم الأزرق (الأشد حرارة).
• مخطط هيرتزسبرنج–راسل (H-R): يربط درجة حرارة النجم (المحور الأفقي) بلمعانه (المحور الرأسي)، ويتيح معرفة المرحلة التي يمر بها النجم من دورة حياته.
• شريط التتابع الرئيسي (Main Sequence): شريط يمتد من أعلى يسار المخطط إلى أسفل يمينه، وتقع عليه معظم النجوم ومنها الشمس. يدخله النجم بمجرد بدء الاندماج.

مناطق مخطط H-R

• التتابع الرئيسي: يحوّل النجم فيه الهيدروجين إلى هيليوم، ويقضي فيه 90% من عمره.
  • أسفل يمين الشريط: نجوم حمراء خافتة منخفضة الحرارة.
  • أعلى يسار الشريط: نجوم زرقاء ساطعة عالية الحرارة.
• العمالقة الحمراء (Red giant) والعمالقة الحمراء الضخمة (Red supergiant): تقع أعلى يمين المخطط. أقطارها أكبر من الشمس بـ200 إلى 800 مرة، وهي ساطعة لكنها أبرد لأن تفاعلاتها النووية انتهت.
• الأقزام البيضاء: تقع أسفل يسار المخطط. حرارتها شديدة ولمعانها منخفض، وقطرها صغير جداً (عدة آلاف إلى 10 آلاف كم).

بقايا النجوم

• النجم منخفض الكتلة (1.4 كتلة شمسية أو أقل):
  1. ينفد الهيدروجين في لبّه فينكمش اللب، وتتمدد الطبقات الخارجية وتبرد، فيصبح النجم عملاقاً أحمر. من أمثلة العمالقة الحمراء: الدبران، والسماك الرامح، وقلب العقرب، ومنكب الجوزاء.
  2. يطرد طبقاته الخارجية في سحابة مضيئة تسمى السديم الكوكبي (Planetary Nebula).
  3. يبقى اللب قزماً أبيض (White Dwarf): كتلته تقارب كتلة الشمس وحجمه يقارب حجم الأرض.
  4. يبرد على مدى مليارات السنين حتى يصبح قزماً أسود (Black Dwarf).
• النجم الضخم (8–10 أضعاف كتلة الشمس): ينهار على نفسه ثم ينفجر انفجاراً هائلاً يسمى المستعر الأعظم (Supernova)، ويقذف العناصر في الفضاء. مثاله سديم السرطان، وقد رُصد انفجاره عام 1054.
  • إذا كانت كتلة اللب 1.5–3 كتل شمسية تنتج نجوم نيوترونية (Neutron Stars). قطرها نحو 16 كم فقط، وتدور 20–50 مرة في الثانية. يسمى النجم النيوتروني الذي تُرصد نبضات إشعاعه النجم النابض.
  • إذا كانت كتلة اللب أكبر من 3 كتل شمسية يتكون ثقب أسود (Black Hole). جاذبيته شديدة لا يفلت منها حتى الضوء.
• إعادة التدوير: غبار المستعر الأعظم وغازه يغذيان الوسط بين النجوم بالعناصر الثقيلة، فتتكون منها نجوم جديدة (شكل 1-15 يلخص دورة حياة النجم).

المجرات وأنواعها

• المجرة (Galaxy): مجموعة هائلة من النجوم والغاز والغبار المرتبطة بالجاذبية. يتراوح عدد نجومها بين بضع مئات من الآلاف في المجرات القزمة وأكثر من تريليون في المجرات العملاقة.
• أنواع المجرات:
  1. الحلزونية (Spiral): قرص مسطح بانتفاخ في المركز وأذرع حلزونية غنية بالغاز والغبار، وفيها تولد النجوم الحديثة. من أمثلتها درب التبانة والمرأة المسلسلة.
  2. البيضاوية (Elliptical): شكلها بيضاوي وغازها وغبارها قليل، فلا تتكون فيها نجوم جديدة. نجومها قديمة حمراء وصفراء، وتمثل 10–15% من المجرات.
  3. غير المنتظمة (Irregular): ليس لها شكل منتظم، وقد يكون شكلها ناتجاً عن جاذبية المجرات المجاورة. مثالها سحابتا ماجلان، وهما أقرب المجرات إلى درب التبانة.

مجرة درب التبانة

• مجرة حلزونية تضم أكثر من 200 مليار نجم.
• تقع الشمس على الحافة الداخلية لذراع الجبار، وتتحرك بسرعة 200 كم/ث، فتكمل دورة حول مركز المجرة كل 200 مليون سنة.
• تركيبها:
  1. القرص (Galaxy Disk): قطره نحو 100 ألف سنة ضوئية، وفيه غاز وغبار ومناطق تكوّن النجوم. تقع المجموعة الشمسية على بُعد نحو 30 ألف سنة ضوئية من المركز.
  2. النواة (Galaxy Bulge): كثيفة بالنجوم، ويوجد في مركزها ثقب أسود ضخم.
  3. الهالة (Galaxy Halo): منطقة معتمة تحيط بالقرص، غازها وغبارها قليل، ونجومها قديمة.

رؤية 2030 والتلوث الضوئي

• أكثر من ثلث سكان العالم لم يعودوا يرون نجوم درب التبانة بسبب التلوث الضوئي.
• ضمن رؤية 2030 تُنشأ في المملكة متنزهات للاستمتاع برؤية النجوم، مثل مدينة تروجينا في مشروع نيوم.