18.1: قياس الكتل النجمية

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

• اشرح لماذا النجوم المرئية للعين المجردة ليست نموذجية
• وصف توزيع الكتل النجمية الموجودة بالقرب من الشمس

قبل أن نتمكن من إجراء المسح الخاص بنا، نحتاج إلى الاتفاق على وحدة المسافة المناسبة للأشياء التي ندرسها. جميع النجوم بعيدة جدًا لدرجة أن الكيلومترات (وحتى الوحدات الفلكية) ستكون مرهقة جدًا في الاستخدام؛ لذلك - كما تمت مناقشته في Science and the Universe: A Brief Tour - يستخدم علماء الفلك «عصا قياس» أكبر بكثير تسمى السنة الضوئية. السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء (أسرع إشارة نعرفها) في عام واحد. نظرًا لأن الضوء يغطي 300 ألف كيلومتر في الثانية، وبما أن هناك الكثير من الثواني في عام واحد، فإن السنة الضوئية هي كمية كبيرة جدًا: 9.5 تريليون (9.5 × 1012) كيلومترًا على وجه الدقة. (ضع في اعتبارك أن السنة الضوئية هي وحدة المسافة على الرغم من ظهور مصطلح السنة فيها.) إذا كنت تقود سيارتك وفقًا للحد القانوني للسرعة في الولايات المتحدة دون التوقف لتناول الطعام أو الراحة، فلن تصل في نهاية السنة الضوئية في الفضاء حتى مرور ما يقرب من 12 مليون سنة. وأقرب نجم يبعد أكثر من 4 سنوات ضوئية.

لاحظ أننا لم نقول الكثير بعد عن كيفية قياس هذه المسافات الهائلة. هذا سؤال معقد، سنعود إليه في المسافات السماوية. في الوقت الحالي، دعونا نفترض أنه تم قياس المسافات للنجوم في محيطنا الكوني حتى نتمكن من المضي قدمًا في التعداد.

الحجم الصغير جميل - أو على الأقل أكثر شيوعًا

عندما نجري تعدادًا للأشخاص في الولايات المتحدة، فإننا نحسب السكان حسب الحي. يمكننا تجربة نفس النهج في التعداد النجمي الخاص بنا والبدء في جوارنا المباشر. كما سنرى، نواجه مشكلتين - تمامًا كما نفعل مع تعداد البشر. أولاً، من الصعب التأكد من أننا أحصينا جميع السكان؛ ثانيًا، قد لا يحتوي الحي المحلي على جميع الأنواع الممكنة من الأشخاص.

\(\PageIndex{1}\)يوضح الجدول تقديرًا لعدد النجوم من كل نوع طيفي ¹ في منطقتنا المحلية - في غضون 21 سنة ضوئية من الشمس. (يبلغ قطر مجرة درب التبانة، التي نعيش فيها، حوالي 100,000 سنة ضوئية، لذا فإن هذا الرقم ينطبق حقًا على حي محلي للغاية، وهو الحي الذي يحتوي على جزء صغير من كل مليارات النجوم في مجرة درب التبانة.) يمكنك أن ترى أن هناك العديد من النجوم ذات الإضاءة المنخفضة (وبالتالي الكتلة المنخفضة) أكثر من النجوم عالية اللمعان. ثلاثة فقط من النجوم في منطقتنا المحلية (نوع F ونوعان A) هي أكثر إضاءة وكثافة من الشمس. هذه حقًا حالة ينتصر فيها الصغير على الكبير - على الأقل من حيث الأرقام. الشمس أكثر ضخامة من الغالبية العظمى من النجوم في المنطقة المجاورة لنا.

الجدول\(\PageIndex{1}\): النجوم في غضون 21 سنة ضوئية من الشمس

النوع الطيفي	عدد النجوم
أ	2
و	1
ز	7
ك	17
م	94
الأقزام البيضاء	8
الأقزام البنية	33

يعتمد هذا الجدول على البيانات المنشورة حتى عام 2015، ومن المرجح أنه لا يزال يتعين اكتشاف المزيد من الأجسام الباهتة (انظر الشكل\(\PageIndex{1}\)). إلى جانب الأقزام ذات اللون البني L و T التي تمت ملاحظتها بالفعل في منطقتنا، يتوقع علماء الفلك أن يجدوا ربما المئات من أقزام T الإضافية. من المحتمل أن يكون العديد منها أكثر برودة من أروع قزم T المعروف حاليًا. السبب في صعوبة العثور على الأقزام ذات الكتلة الأدنى هو أنها تطفئ القليل جدًا من الضوء - أقل بعشرة آلاف إلى مليون مرة من ضوء الشمس. في الآونة الأخيرة فقط تطورت تقنيتنا لدرجة أننا نستطيع اكتشاف هذه الأشياء المعتمة والباردة.

محاكاة الشكل\(\PageIndex{1}\) القزم. تُظهر هذه المحاكاة الحاسوبية النجوم في منطقتنا كما يمكن رؤيتها من مسافة 30 سنة ضوئية. الشمس في الوسط. جميع الأقزام البنية محاطة بدائرة؛ تلك التي تم العثور عليها سابقًا محاطة بدائرة باللون الأزرق، وتلك التي تم العثور عليها مؤخرًا مع تلسكوب WISE بالأشعة تحت الحمراء في الفضاء (الذي وضع علماؤه هذا الرسم التخطيطي معًا) محاطة بدائرة باللون الأحمر. صُممت نجوم M الشائعة، ذات اللون الأحمر والخافت، لتبدو أكثر إشراقًا مما ستكون عليه بالفعل حتى تتمكن من رؤيتها في المحاكاة. لاحظ أن النجوم الساخنة المضيئة مثل شمسنا نادرة جدًا.

لوضع كل هذا في منظوره الصحيح، نلاحظ أنه على الرغم من أن النجوم التي تم عدها في الجدول هي أقرب جيراننا، لا يمكنك فقط النظر إلى سماء الليل ورؤيتها بدون تلسكوب؛ فالنجوم الخافتة عن الشمس لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة إلا إذا كانت قريبة جدًا. على سبيل المثال، تعتبر النجوم ذات اللمعان الذي يتراوح بين 1/100 و 1/10000 (لمعان _الشمس) شائعة جدًا، ولكن النجم الذي يبلغ لمعانه 1/100 لتر من _الشمس يجب أن يكون في غضون 5 سنوات ضوئية ليكون مرئيًا بالعين المجردة - وثلاث نجوم فقط (الكل في نظام واحد) قريب جدًا منا. لا يزال من غير الممكن رؤية أقرب هذه النجوم الثلاثة، Proxima Centauri، بدون تلسكوب لأنه يتمتع بمثل هذا اللمعان المنخفض.

يعمل علماء الفلك بجد هذه الأيام لإكمال تعداد منطقتنا المحلية من خلال العثور على أضعف جيراننا. اعتمدت الاكتشافات الحديثة للنجوم القريبة بشكل كبير على تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء القادرة على العثور على هذه النجوم الرائعة ذات الكتلة المنخفضة. يجب أن تتوقع أن يستمر عدد النجوم المعروفة في غضون 26 سنة ضوئية من الشمس في الزيادة مع إجراء المزيد من الاستطلاعات بشكل أفضل.

الضوء الساطع لا يعني بالضرورة القرب

إذا حصرنا التعداد السكاني في الحي المحلي، فسوف نفتقد العديد من أنواع النجوم الأكثر إثارة للاهتمام. في النهاية، لا يحتوي الحي الذي تعيش فيه على جميع أنواع الأشخاص - الذين يتميزون وفقًا للعمر والتعليم والدخل والعرق وما إلى ذلك - الذين يعيشون في البلد بأكمله. على سبيل المثال، يعيش عدد قليل من الأشخاص الذين تزيد أعمارهم عن 100 عام، ولكن قد لا يكون هناك مثل هذا الشخص على بعد عدة أميال من المكان الذي تعيش فيه. من أجل أخذ عينات من المجموعة الكاملة من السكان، سيتعين عليك توسيع التعداد الخاص بك إلى منطقة أكبر بكثير. وبالمثل، لا توجد بعض أنواع النجوم في مكان قريب.

يأتي الدليل على أننا نفتقد شيئًا في تعدادنا النجمي من حقيقة أن ستة فقط من النجوم العشرين التي تبدو أكثر سطوعًا في سماءنا - سيريوس وفيجا وألتير وألفا سنتوري وفومالهاوت وبروسيون - توجد في غضون 26 سنة ضوئية من الشمس (الشكل\(\PageIndex{2}\)). لماذا نفتقد معظم النجوم الأكثر سطوعًا عندما نجري إحصاءنا للحي المحلي؟

اكتشف\(\PageIndex{2}\) أقرب النجوم. (أ) تُظهر هذه الصورة، التي التقطت بواسطة تلسكوب واسع الزاوية في المرصد الأوروبي الجنوبي في شيلي، نظام النجوم الثلاثة الذي هو أقرب جار لنا. (ب) يمزج نجمان ساطعان قريبان من بعضهما البعض (Alpha Centauri A و B) نورهما معًا. (ج) يُشار بسهم (نظرًا لأنك بالكاد ستلاحظ ذلك بخلاف ذلك) إلى نجم Proxima Centauri الخافت كثيرًا، وهو من النوع الطيفي M.

الجواب، المثير للاهتمام، هو أن النجوم التي تبدو أكثر سطوعًا ليست الأقرب إلينا. تبدو النجوم الأكثر سطوعًا بالشكل الذي تبدو عليه لأنها تنبعث منها كمية كبيرة جدًا من الطاقة - لدرجة أنها في الواقع لا يجب أن تكون قريبة لتبدو رائعة. يمكنك تأكيد ذلك من خلال النظر إلى الملحق J، الذي يعطي مسافات للنجوم العشرين التي تبدو أكثر سطوعًا من الأرض. أبعد هذه النجوم هي أكثر من 1000 سنة ضوئية منا. في الواقع، اتضح أن معظم النجوم المرئية بدون تلسكوب تبعد مئات السنين الضوئية وأكثر سطوعًا عدة مرات من الشمس. من بين 9000 نجم يمكن رؤيتها بالعين المجردة، هناك حوالي 50 نجمًا فقط تكون أضعف جوهريًا من الشمس. لاحظ أيضًا أن العديد من النجوم في الملحق J هي من النوع الطيفي B، وهو نوع مفقود تمامًا من الجدول\(\PageIndex{1}\).

تنبعث أكثر النجوم الساطعة المدرجة في الملحق J طاقة أكثر من 50000 مرة من الشمس. هذه النجوم المضيئة للغاية مفقودة من الجوار الشمسي لأنها نادرة جدًا. لا يوجد أي منها في الحجم الصغير من الفضاء المحيط مباشرة بالشمس، وتم مسح هذا المجلد الصغير فقط للحصول على البيانات الموضحة في الجدول\(\PageIndex{1}\).

على سبيل المثال، دعونا نفكر في أكثر النجوم سطوعًا - تلك النجوم المضاءة بـ 100 مرة أو أكثر مثل الشمس. على الرغم من ندرة هذه النجوم، إلا أنها مرئية للعين المجردة، حتى عندما تكون على بعد مئات الآلاف من السنين الضوئية. يمكن رؤية نجم ذو لمعان أكبر بـ 10000 مرة من ضوء الشمس بدون تلسكوب لمسافة 5000 سنة ضوئية. ومع ذلك، فإن حجم المساحة المضمنة على مسافة 5000 سنة ضوئية هائل؛ لذلك على الرغم من أن النجوم شديدة الإضاءة نادرة في جوهرها، فإن العديد منها يمكن رؤيته بسهولة لأعيننا دون مساعدة.

يعد التباين بين هاتين العينتين من النجوم، تلك القريبة منا وتلك التي يمكن رؤيتها بالعين المجردة، مثالاً على تأثير الاختيار. عندما تتضمن مجموعة من الكائنات (النجوم في هذا المثال) مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأنواع المختلفة، يجب أن نكون حذرين بشأن الاستنتاجات التي نستخلصها من فحص أي مجموعة فرعية معينة. من المؤكد أننا سنخدع أنفسنا إذا افترضنا أن النجوم المرئية للعين المجردة هي سمة من سمات مجموعة النجوم العامة؛ هذه المجموعة الفرعية موزونة بشدة بالنجوم الأكثر إضاءة. يتطلب الأمر مزيدًا من الجهد لتجميع مجموعة بيانات كاملة لأقرب النجوم، نظرًا لأن معظمها خافت جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها إلا باستخدام التلسكوب. ومع ذلك، فمن خلال القيام بذلك فقط يتمكن علماء الفلك من معرفة خصائص الغالبية العظمى من النجوم، التي هي في الواقع أصغر بكثير وأكثر خفوتًا من شمسنا. في القسم التالي، سننظر في كيفية قياس بعض هذه الخصائص.

المفاهيم الأساسية والملخص

لفهم خصائص النجوم، يجب علينا إجراء استطلاعات واسعة النطاق. نجد أن النجوم التي تبدو أكثر سطوعًا لأعيننا مشرقة في المقام الأول لأنها في جوهرها مضيئة جدًا، وليس لأنها الأقرب إلينا. معظم النجوم الأقرب تكون خافتة في جوهرها بحيث لا يمكن رؤيتها إلا بمساعدة التلسكوب. تعتبر النجوم ذات الكتلة المنخفضة واللمعان المنخفض أكثر شيوعًا من النجوم ذات الكتلة العالية واللمعان العالي. لم يتم اكتشاف معظم الأقزام البنية في الحي المحلي بعد.

الحواشي

¹ تم تحديد الأنواع الطيفية للنجوم ومناقشتها في تحليل النجوم.

مسرد المصطلحات

تأثير التحديد

اختيار بيانات العينة بطريقة غير عشوائية، مما يجعل بيانات العينة غير ممثلة لمجموعة البيانات بأكملها