Skip to main content
Global

17E: تحليل ضوء النجوم (تمارين)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197336

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    لمزيد من الاستكشاف

    مقالات

    بيرمان، ب. «القدر بامتياز». علم الفلك (ديسمبر 1998): 92. تمت مناقشة كيفية قياس السطوع الواضح للنجوم.

    جيه دفوراك، «النساء اللواتي ابتكرن علم الفلك الحديث [بما في ذلك آني كانون].» السماء والتلسكوب (أغسطس 2013): 28.

    هيرنشو، جيه. «أصول مقياس الحجم النجمي». السماء والتلسكوب (نوفمبر 1992): 494. تمت مناقشة التاريخ الجيد لكيفية حصولنا على هذا النظام المرهق.

    هيرشفيلد، أ. «الحجم المطلق للنجوم». السماء والتلسكوب (سبتمبر 1994): 35.

    كالر، جيه. «النجوم في القبو: الفصول المفقودة والمعثور عليها». السماء والتلسكوب (سبتمبر 2000): 39. يتم توفير مقدمة للأنواع الطيفية والفئات الجديدة L و T.

    كالر، جيه. «أصول التسلسل الطيفي». السماء والتلسكوب (فبراير 1986): 129.

    Skrutskie، M. «2MASS: كشف النقاب عن عالم الأشعة تحت الحمراء.» السماء والتلسكوب (يوليو 2001): 34. تركز هذه المقالة على مسح شامل للسماء بمعدل 2 ميكرون.

    سنيدن، سي. «قراءة ألوان النجوم». علم الفلك (أبريل 1989): 36. تتضمن هذه المقالة مناقشة لما نتعلمه من التحليل الطيفي.

    ستيفي، P. «الحقيقة حول ألوان النجوم». السماء والتلسكوب (سبتمبر 1992): 266. مؤشر الألوان وكيفية مناقشة ألوان «رؤية» العين والفيلم.

    تومكينز، جيه. «الملوك السماويون مرة واحدة والمستقبل». السماء والتلسكوب (أبريل 1989): 59. تمت مناقشة حساب حركة النجوم وتحديد النجوم التي كانت وستظل أكثر سطوعًا في السماء.

    مواقع الويب

    اكتشاف الأقزام البنية: http://w.astro.berkeley.edu/~basri/b...SciAm-book.pdf.

    قائمة الأقزام البنية القريبة: http://www.solstation.com/stars/pc10bd.htm.

    الأنواع الطيفية للنجوم: http://www.skyandtelescope.com/astro...ypes-of-stars/.

    السرعات النجمية https://www.e-education.psu.edu/astr...ent/l4_p7.html.

    أصوات غير مسموعة! مساهمات المرأة في علم الفلك: دليل الموارد: http://multiverse.ssl.berkeley.edu/women و http://www.astrosociety.org/educatio...esource-guide/.

    مقاطع فيديو

    عندما تكون صغيرًا جدًا لتكون نجمًا: https://www.youtube.com/watch?v=zXCDsb4n4KU. 2013 حديث عام عن الأقزام والكواكب البنية للدكتور جيبور بصري من جامعة كاليفورنيا - بيركلي (1:32:52).

    أنشطة المجموعة التعاونية

    1. يناقش فيلم «الرحلات في علم الفلك» على قناة آني كانون: مصنف النجوم في القسم 17.3 بعض الصعوبات التي واجهتها النساء اللواتي يرغبن في ممارسة علم الفلك في النصف الأول من القرن العشرين. ماذا تعتقد مجموعتك حول وضع المرأة اليوم؟ هل لدى الرجال والنساء فرصة متساوية ليصبحوا علماء؟ ناقش مع مجموعتك ما إذا كان قد تم، وفقًا لتجربتك، تشجيع الأولاد والبنات بنفس القدر على ممارسة العلوم والرياضيات في المكان الذي ذهبت إليه في المدرسة.
    2. في القسم الخاص بالمقاييس في «سطوع النجوم»، ناقشنا كيف تطور هذا النظام القديم لتصنيف كيفية ظهور النجوم المختلفة الساطعة للعين لأول مرة. اشتكى المؤلفون من حقيقة أن هذا النظام القديم لا يزال يتعين تدريسه لكل جيل من الطلاب الجدد. هل يمكن لمجموعتك التفكير في أي أنظمة تقليدية أخرى للقيام بأشياء في العلوم والقياس حيث قواعد التقاليد على الرغم من أن الفطرة السليمة تقول إنه يمكن بالتأكيد العثور على نظام أفضل. اشرح. (تلميح: جرّب التوقيت الصيفي، أو الوحدات المترية مقابل وحدات اللغة الإنجليزية.)
    3. لنفترض أنه يمكنك ملاحظة نجم يحتوي على خط طيفي واحد فقط. هل يمكنك معرفة العنصر الذي يأتي منه هذا الخط الطيفي؟ ضع قائمة بالأسباب مع مجموعتك حول سبب إجابتك بنعم أو لا.
    4. قرر أحد الخريجين الأثرياء من كليتك منح 50 مليون دولار لقسم علم الفلك لبناء مرصد عالمي لمعرفة المزيد عن خصائص النجوم. اطلب من مجموعتك مناقشة نوع المعدات التي ستضعها في المرصد. أين يجب أن يقع هذا المرصد؟ برر إجاباتك. (قد ترغب في الرجوع إلى فصل الأدوات الفلكية وإعادة النظر في هذا السؤال عندما تتعلم المزيد عن النجوم والمعدات اللازمة لمراقبتها في الفصول المستقبلية.)
    5. بالنسبة لبعض علماء الفلك، فإن إدخال نوع طيفي جديد للنجوم (مثل الأنواع L و T و Y التي تمت مناقشتها في النص) يشبه إدخال رمز منطقة جديد للمكالمات الهاتفية. لا أحد يحب تعطيل النظام القديم، ولكن في بعض الأحيان يكون ذلك ضروريًا ببساطة. اطلب من مجموعتك إعداد قائمة بالخطوات التي يجب على عالم الفلك اتباعها لإقناع الزملاء بالحاجة إلى فئة طيفية جديدة.

    مراجعة الأسئلة

    1. ما العاملان اللذان يحددان مدى سطوع النجم في السماء؟
    2. اشرح لماذا يعتبر اللون مقياسًا لدرجة حرارة النجم.
    3. ما هو السبب الرئيسي لعدم تطابق أطياف جميع النجوم؟ اشرح.
    4. ما العناصر التي تتكون منها النجوم في الغالب؟ كيف نعرف هذا؟
    5. ما الذي ساهمت به آني كانون في فهم الأطياف النجمية؟
    6. اذكر خمس خصائص للنجم يمكن تحديدها من خلال قياس طيفه. اشرح كيف ستستخدم الطيف لتحديد هذه الخصائص.
    7. كيف تختلف الأجسام من الأنواع الطيفية L و T و Y عن تلك الخاصة بالأنواع الطيفية الأخرى؟
    8. هل النجوم التي تبدو أكثر سطوعًا في السماء لها مقادير أكبر أو أصغر من النجوم الخافتة؟
    9. يبلغ الحجم الظاهري لنجم أنتاريس 1.0، في حين أن النجم بروسيون له حجم واضح قدره 0.4. أي نجم يبدو أكثر سطوعًا في السماء؟
    10. بناءً على ألوانها، أي من النجوم التالية هي الأكثر سخونة؟ أيهما أروع؟ أرشينار (أزرق)، منكب (أحمر)، كابيلا (أصفر).
    11. رتِّب الأنواع الطيفية الأساسية السبعة من الأكثر حرارة إلى الأكثر برودة.
    12. ما هو الفرق المحدد بين القزم البني والنجم الحقيقي؟

    أسئلة الفكر

    1. إذا كان النجم سيريوس يصدر طاقة أكثر بـ 23 مرة من الشمس، فلماذا تبدو الشمس أكثر إشراقًا في السماء؟
    2. كيف سيظهر نجمان متساويان في السطوع - أحدهما أزرق والآخر أحمر - في صورة تم التقاطها من خلال مرشح يمر بشكل أساسي بالضوء الأزرق؟ كيف سيتغير مظهرها في صورة تم التقاطها من خلال مرشح ينقل الضوء الأحمر بشكل أساسي؟
    3. يسرد الجدول\(17.3.1\) في القسم 17.3 نطاقات درجات الحرارة التي تتوافق مع الأنواع الطيفية المختلفة. ما جزء النجم الذي تشير إليه درجات الحرارة هذه؟ لماذا؟
    4. لنفترض أنك مُكلف بمهمة قياس ألوان النجوم الأكثر سطوعًا، المدرجة في الملحق J، من خلال ثلاثة فلاتر: الأول ينقل الضوء الأزرق، والثاني ينقل الضوء الأصفر، والثالث ينقل الضوء الأحمر. إذا لاحظت نجمة Vega، فستظهر بنفس السطوع من خلال كل من الفلاتر الثلاثة. ما النجوم التي ستظهر من خلال الفلتر الأزرق أكثر سطوعًا من خلال الفلتر الأحمر؟ ما النجوم التي ستظهر أكثر سطوعًا من خلال الفلتر الأحمر؟ أي نجم من المرجح أن يكون له ألوان تشبه ألوان Vega تقريبًا؟
    5. يحتوي Star X على خطوط من الهيليوم المؤين في طيفه، والنجم Y يحتوي على نطاقات من أكسيد التيتانيوم. أيهما أكثر سخونة؟ لماذا؟ يُظهر طيف النجم Z خطوطًا من الهيليوم المؤين وأيضًا نطاقات جزيئية من أكسيد التيتانيوم. ما الغريب في هذا الطيف؟ هل يمكنك اقتراح تفسير؟
    6. يحتوي طيف الشمس على مئات الخطوط القوية من الحديد غير المؤين ولكن فقط بضعة خطوط ضعيفة جدًا من الهيليوم. يحتوي النجم الطيفي B على خطوط قوية جدًا من الهيليوم ولكن خطوط حديدية ضعيفة جدًا. هل تعني هذه الاختلافات أن الشمس تحتوي على كمية أكبر من الحديد وأقل من الهيليوم مقارنة بالنجمة B؟ اشرح.
    7. ما الفئات الطيفية التقريبية للنجوم ذات الخصائص التالية؟
      1. خطوط بالمر للهيدروجين قوية جدًا؛ توجد بعض خطوط المعادن المؤينة.
      2. أقوى الخطوط هي خطوط الهيليوم المؤين.
      3. خطوط الكالسيوم المؤين هي الأقوى في الطيف؛ خطوط الهيدروجين تظهر قوة معتدلة فقط؛ خطوط المحايدة والمعادن موجودة.
      4. أقوى الخطوط هي تلك الخاصة بالمعادن المحايدة وشرائح أكسيد التيتانيوم.
    8. انظر إلى العناصر الكيميائية في الملحق K. هل يمكنك تحديد أي علاقة بين وفرة العنصر ووزنه الذري؟ هل هناك أي استثناءات واضحة لهذه العلاقة؟
    9. يسرد الملحق الأول بعضًا من أقرب النجوم. هل معظم هذه النجوم أكثر سخونة أو برودة من الشمس؟ هل يصدر أي منها طاقة أكثر من الشمس؟ إذا كان الأمر كذلك، أي منها؟
    10. يسرد الملحق J النجوم التي تبدو أكثر سطوعًا في سمائنا. هل معظمها أكثر حرارة أو برودة من الشمس؟ هل يمكنك اقتراح سبب الفرق بين هذه الإجابة والإجابة على السؤال السابق؟ (تلميح: انظر إلى اللمعان.) هل هناك أي ميل للارتباط بين درجة الحرارة واللمعان؟ هل هناك استثناءات للارتباط؟
    11. ما النجم الأكثر سطوعًا في السماء (بخلاف الشمس)؟ الثانية الأكثر سطوعًا؟ ما هو لون منكب الجوزاء؟ استخدم الملحق J للعثور على الإجابات.
    12. لنفترض أن البشر قبل مليون سنة قد تركوا وراءهم خرائط لسماء الليل. هل ستمثل هذه الخرائط بدقة السماء التي نراها اليوم؟ لماذا أو لماذا لا؟
    13. لماذا يمكن تحديد الحد الأدنى فقط لمعدل الدوران النجمي من توسيع الخط بدلاً من معدل الدوران الفعلي؟ (راجع الشكل\(17.4.6\) في القسم 17.4.)
    14. لماذا تعتقد أن علماء الفلك اقترحوا ثلاثة أنواع طيفية مختلفة (L و T و Y) للأقزام البنية بدلاً من M؟ لماذا لم تكن واحدة كافية؟
    15. سام، طالب جامعي، اشترى للتو سيارة جديدة. صديق سام آدم، وهو طالب دراسات عليا في علم الفلك، يطلب من سام القيام بجولة. في السيارة، يلاحظ آدم أن الألوان الموجودة على جهاز التحكم في درجة الحرارة خاطئة. لماذا قال ذلك؟
      بديل
      الشكل\(\PageIndex{1}\) (الائتمان: تعديل عمل مايكل شيهان)
    16. هل سيكون للنجمة الحمراء حجم أصغر أو أكبر في المرشح الأحمر مقارنة بالفلتر الأزرق؟
    17. نجمان لهما حركات مناسبة تبلغ ثانية قوسية واحدة في السنة. يقع النجم A على بعد 20 سنة ضوئية من الأرض، والنجم B على بعد 10 سنوات ضوئية من الأرض. أيٌّ منهما له السرعة الأسرع في الفضاء؟
    18. لنفترض أن هناك ثلاث نجوم في الفضاء، يتحرك كل منها بسرعة 100 كم/ثانية؛ النجم A يتحرك عبر (أي عموديًا على) خط رؤيتنا، والنجم B يتحرك بعيدًا عن الأرض مباشرةً، والنجم C يتحرك بعيدًا عن الأرض، ولكن بزاوية 30 درجة إلى خط الرؤية. من أي نجم ستلاحظ أعظم تحول في دوبلر؟ من أي نجم ستلاحظ أصغر تحول دوبلر؟
    19. ماذا ستقول لصديق أدلى بهذا البيان، «يُظهر طيف الضوء المرئي للشمس خطوط هيدروجين ضعيفة وخطوط كالسيوم قوية. لذلك يجب أن تحتوي الشمس على الكالسيوم أكثر من الهيدروجين.»؟

    اكتشاف نفسك

    1. في الملحق J، ما مقدار إضاءة أكثر النجوم سطوعًا من الأقل سطوعًا؟

      بالنسبة للتمرين 2 إلى التمرين 7 أدناه، استخدم المعادلات المتعلقة بالحجم والسطوع الظاهري الواردة في القسم الخاص بمقياس الحجم في سطوع النجوم والمثال\(17.1.1\) في هذا القسم.

    2. تحقق من أنه إذا كان هناك فرق بين نجمين يبلغ خمسة مقادير، فإن هذا يتوافق مع عامل 100 في النسبة\(\left( \frac{b_2}{b_1} \right)\)؛ وأن 2.5 مقادير يتوافق مع عامل 10؛ وأن 0.75 مقاسًا يتوافق مع عامل 2.
    3. كما يُرى من الأرض، يبلغ حجم الشمس الظاهري حوالي −26.7. ما المقدار الظاهري للشمس كما يُرى من زحل، على بُعد حوالي 10 AU؟ (تذكر أن AU الواحد هو المسافة من الأرض إلى الشمس وأن السطوع ينخفض كمربع معكوس للمسافة.) هل ستظل الشمس ألمع نجم في السماء؟
    4. يستكشف عالم فلك نجمًا خافتًا تم اكتشافه مؤخرًا في مسوحات حساسة جدًا للسماء. يبلغ حجم النجم 16. ما مقدار سطوعه أقل من برج العقرب، النجم الذي تساوي قوته تقريبًا 1؟
    5. يبلغ حجم مركز مجرة خافتة ولكنها نشطة 26. ما مدى سطوعه الذي يبدو أقل سطوعًا من النجم الضعيف جدًا الذي يمكن أن تراه أعيننا، بحجم 6 تقريبًا؟
    6. لديك معلومات كافية من هذا الفصل لتقدير المسافة إلى Alpha Centauri، ثاني أقرب نجم، والذي يبلغ حجمه الظاهري 0. نظرًا لأنها نجمة G2، مثل الشمس، افترض أنها تتمتع بنفس لمعان الشمس وأن الاختلاف في المقادير هو نتيجة فقط للاختلاف في المسافة. قدّر مدى بُعد ألفا سنتوري. قم بوصف الخطوات الضرورية بالكلمات ثم قم بالحساب. (كما سنتعلم في فصل المسافات السماوية، فإن هذه الطريقة - أي افتراض أن النجوم ذات الأنواع الطيفية المتطابقة تنبعث منها نفس الكمية من الطاقة - تُستخدم فعليًا لتقدير المسافات إلى النجوم.) إذا كنت تفترض أن المسافة إلى الشمس هي في AU، فستظهر إجابتك في AU.
    7. قم بحل المشكلة السابقة مرة أخرى، وهذه المرة باستخدام المعلومات التي تفيد بأن الشمس تبعد 150,000,000 كم. ستحصل على عدد كبير جدًا من الكيلومترات كإجابتك. للحصول على فكرة أفضل عن كيفية مقارنة المسافات، حاول حساب الوقت الذي يستغرقه الضوء بسرعة 299,338 كم/ثانية للانتقال من الشمس إلى الأرض ومن Alpha Centauri إلى الأرض. بالنسبة لـ Alpha Centauri، اكتشف المدة التي ستستغرقها الرحلة بالسنوات وكذلك في الثواني.
    8. يتميز النجمان A و B بسطوع واضح مختلف ولكن لمعان متطابق. إذا كان النجم A على بعد 20 سنة ضوئية من الأرض والنجم B على بعد 40 سنة ضوئية من الأرض، فما النجم الذي يبدو أكثر سطوعًا وبأي عامل؟
    9. يتميز النجمان A و B بسطوع واضح مختلف ولكن لمعان متطابق. يقع النجم A على بعد 10 سنوات ضوئية من الأرض ويبدو أكثر سطوعًا 36 مرة من النجم B. كم يبعد النجم B؟
    10. يبلغ المقدار الظاهري للنجم سيريوس أ −1.5. لدى سيريوس أ رفيق خافت، سيريوس بي، وهو أقل سطوعًا بعشرة آلاف مرة من سيريوس أ. ما هو الحجم الظاهري لسيريوس بي؟ هل يمكن رؤية Sirius B بالعين المجردة؟
    11. تبلغ درجة حرارة سطح شمسنا، وهي نجمة من النوع G، 5800 K. لذلك نعلم أنها أكثر برودة من نجمة النوع O وأكثر سخونة من نجمة النوع M. بالنظر إلى ما تعلمته عن نطاقات درجات الحرارة لهذه الأنواع من النجوم، كم مرة أكثر سخونة من شمسنا هي نجمة النوع O الأكثر سخونة؟ كم مرة أبرد من شمسنا هي أروع نجمة من النوع M؟