19.4: H-R والمسافات الكونية
- Page ID
- 197292
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- تعرف على كيفية استخدام الأنواع الطيفية لتقدير اللمعان النجمي
- افحص كيفية استخدام علماء الفلك لهذه التقنيات اليوم
النجوم المتغيرة ليست الطريقة الوحيدة التي يمكننا من خلالها تقدير لمعان النجوم. هناك طريقة أخرى تتضمن مخطط H—R، والذي يوضح أنه يمكن تقدير السطوع الجوهري للنجم إذا عرفنا نوعه الطيفي.
المسافات من الأنواع الطيفية
على الرغم من كون النجوم المتغيرة مرضية ومثمرة لقياس المسافة، فإن هذه النجوم نادرة ولا توجد بالقرب من جميع الأجسام التي نرغب في قياس المسافات إليها. لنفترض، على سبيل المثال، أننا بحاجة إلى المسافة إلى نجمة غير متغيرة، أو إلى مجموعة من النجوم، لا يعد أي منها متغيرًا. في هذه الحالة، اتضح أن مخطط H—R يمكن أن يأتي لإنقاذنا.
إذا استطعنا ملاحظة طيف النجم، يمكننا تقدير بعده عن فهمنا لمخطط H—R. كما تمت مناقشته في تحليل ضوء النجوم، يسمح الفحص التفصيلي للطيف النجمي لعلماء الفلك بتصنيف النجم إلى أحد الأنواع الطيفية التي تشير إلى درجة حرارة السطح. (الأنواع هي O و B و A و F و G و K و M و L و T و Y؛ يمكن تقسيم كل منها إلى مجموعات فرعية مرقمة.) ومع ذلك، بشكل عام، لا يكفي النوع الطيفي وحده للسماح لنا بتقدير اللمعان. انظر مرة أخرى إلى الشكل\(18.4.1\) في القسم 18.4. يمكن أن يكون نجم G2 نجمًا تسلسليًا رئيسيًا مع لمعان يبلغ 1 لتر من الشمس، أو يمكن أن يكون عملاقًا بدرجة لمعان 100 لتر من الشمس، أو حتى عملاقًا خارقًا مع لمعان أعلى.
ومع ذلك، يمكننا أن نتعلم من طيف النجوم أكثر من مجرد درجة حرارته. تذكر، على سبيل المثال، أنه يمكننا اكتشاف اختلافات الضغط في النجوم من تفاصيل الطيف. هذه المعرفة مفيدة جدًا لأن النجوم العملاقة أكبر (ولديها ضغوط أقل) من نجوم التسلسل الرئيسي، ولا تزال الشركات العملاقة أكبر من العمالقة. إذا نظرنا بالتفصيل إلى طيف النجم، يمكننا تحديد ما إذا كان نجمًا تسلسليًا رئيسيًا أم عملاقًا أم عملاقًا.
لنفترض، في البداية بأبسط مثال، أن الطيف واللون والخصائص الأخرى لنجم G2 البعيد تتطابق تمامًا مع خصائص الشمس. من المعقول إذن أن نستنتج أن هذا النجم البعيد من المحتمل أن يكون نجمًا تسلسليًا رئيسيًا تمامًا مثل الشمس وله نفس لمعان الشمس. ولكن إذا كانت هناك اختلافات طفيفة بين الطيف الشمسي وطيف النجم البعيد، فقد يكون النجم البعيد عملاقًا أو حتى عملاقًا.
يقسم نظام تصنيف النجوم الأكثر استخدامًا النجوم من فئة طيفية معينة إلى ست فئات تسمى فئات اللمعان. يُشار إلى فئات اللمعان هذه بالأرقام الرومانية على النحو التالي:
- إيدا: ألمع العمالقة
- Ib: عمالقة خارقة أقل سطوعًا
- II: عمالقة مشرقة
- ثالثا: العمالقة
- IV: عمالقة فرعية (وسيطة بين العمالقة ونجوم التسلسل الرئيسي)
- V: نجوم التسلسل الرئيسي
تتضمن المواصفات الطيفية الكاملة للنجم فئة اللمعان. على سبيل المثال، تتم كتابة نجمة التسلسل الرئيسية ذات الفئة الطيفية F3 كـ F3 V. مواصفات عملاق M2 هي M2 III. \(\PageIndex{1}\)يوضح الشكل الموضع التقريبي للنجوم من فئات اللمعان المختلفة في مخطط H—R. تمثل الأجزاء المتقطعة من الخطوط مناطق بها عدد قليل جدًا من النجوم أو بدون نجوم.
بفضل معرفة فئتي الطيف واللمعان، يتم تحديد موضع النجم على مخطط H—R بشكل فريد. نظرًا لأن الرسم التخطيطي يرسم اللمعان مقابل درجة الحرارة، فهذا يعني أنه يمكننا الآن قراءة لمعان النجم (بمجرد أن يساعدنا طيفه في وضعه على الرسم التخطيطي). كما كان من قبل، إذا عرفنا مدى إضاءة النجم حقًا ورأينا كيف يبدو خافتًا، فإن الفرق يسمح لنا بحساب المسافة. (لأسباب تاريخية، يطلق علماء الفلك أحيانًا على طريقة تحديد المسافة اسم المنظر الطيفي، على الرغم من أن هذه الطريقة لا علاقة لها بالمنظر.)
تسمح طريقة الرسم التخطيطي H—R لعلماء الفلك بتقدير المسافات إلى النجوم القريبة، بالإضافة إلى بعض النجوم البعيدة في مجرتنا، ولكنها ترتكز على قياسات المنظر. المسافات المقاسة باستخدام المنظر هي المعيار الذهبي للمسافات: فهي لا تعتمد على أي افتراضات، بل تعتمد فقط على الهندسة. بمجرد أن يأخذ علماء الفلك طيفًا لنجم قريب نعرف أيضًا المنظر له، فإننا نعرف اللمعان الذي يتوافق مع هذا النوع الطيفي. وبالتالي فإن النجوم القريبة تعمل كمعايير للنجوم البعيدة لأننا نستطيع أن نفترض أن نجمين لهما أطياف متطابقة لهما نفس اللمعان الجوهري.
بضع كلمات عن العالم الحقيقي
تعمل الكتب المدرسية التمهيدية مثل كتابنا بجد لتقديم المواد بطريقة مباشرة ومبسطة. عند القيام بذلك، فإننا أحيانًا نلحق الضرر بطلابنا من خلال جعل التقنيات العلمية تبدو نظيفة جدًا وغير مؤلمة. في العالم الحقيقي، تبين أن التقنيات التي وصفناها للتو فوضوية وصعبة، وغالبًا ما تسبب لعلماء الفلك صداعًا يستمر لفترة طويلة حتى اليوم.
على سبيل المثال، العلاقات التي وصفناها مثل علاقة الفترة واللمعان لنجوم متغيرة معينة ليست خطوطًا مستقيمة تمامًا على الرسم البياني. تنتشر النقاط التي تمثل العديد من النجوم على نطاق واسع عند رسمها، وبالتالي، فإن المسافات المشتقة منها تحتوي أيضًا على تبعثر أو عدم يقين مضمنين.
لذلك فإن المسافات التي نقيسها بالطرق التي ناقشناها دقيقة فقط في حدود نسبة معينة من الخطأ - أحيانًا 10٪ وأحيانًا 25٪ وأحيانًا تصل إلى 50٪ أو أكثر. خطأ بنسبة 25٪ لنجم يُقدر أنه يبعد 10,000 سنة ضوئية يعني أنه يمكن أن يكون على بعد من 7500 إلى 12500 سنة ضوئية. سيكون هذا أمرًا غير مقبول إذا كنت تقوم بتحميل الوقود في سفينة فضائية لرحلة إلى النجم، ولكن هذا ليس أول شخصية سيئة للعمل معها إذا كنت عالم فلك عالقًا على كوكب الأرض.
كما أن بناء مخططات H—R ليس سهلاً كما قد تعتقد في البداية. لعمل رسم تخطيطي جيد، يحتاج المرء إلى قياس خصائص ومسافات العديد من النجوم، والتي يمكن أن تكون مهمة تستغرق وقتًا طويلاً. نظرًا لأن الحي الشمسي الخاص بنا قد تم تخطيطه جيدًا بالفعل، فمن المرجح أن يكون علماء الفلك الذين يرغبون في دراسة النجوم لتطوير معرفتنا بعيدًا وخافتًا. قد يستغرق الأمر ساعات من المراقبة للحصول على طيف واحد. قد يضطر المراقبون إلى قضاء عدة ليالٍ في التلسكوب (وعدة أيام في المنزل للعمل مع بياناتهم) قبل أن يحصلوا على قياس المسافة. لحسن الحظ، يتغير هذا لأن استطلاعات مثل Gaia ستدرس مليارات النجوم، وتنتج مجموعات بيانات عامة يمكن لجميع علماء الفلك استخدامها.
على الرغم من هذه الصعوبات، فإن الأدوات التي ناقشناها تسمح لنا بقياس نطاق رائع من المسافات - أوجه التشابه لأقرب النجوم، ونجوم RR Lyrae المتغيرة؛ ومخطط H—R لمجموعات النجوم في المجرات الخاصة بنا والمجرات القريبة؛ والسيفديات إلى مسافات 60 مليون سنة ضوئية. \(\PageIndex{1}\)يصف الجدول حدود المسافة والتداخل لكل طريقة.
تعتمد كل تقنية موصوفة في هذا الفصل على طريقة واحدة أخرى على الأقل، وتشكل ما يسميه الكثيرون سلم المسافة الكونية. تمثل أوجه التشابه أساسًا لجميع تقديرات المسافة النجمية، وتستخدم الطرق الطيفية النجوم القريبة لمعايرة مخططات H-R الخاصة بها، وتستند تقديرات RR Lyrae والمسافة السيفيدية إلى تقديرات المسافة التخطيطية H-R (وحتى في قياس المنظر لسيفيد قريب، دلتا سيفاي).
تسمح سلسلة الأساليب هذه لعلماء الفلك بتجاوز الحدود عند البحث عن النجوم البعيدة. استخدمت الأعمال الحديثة، على سبيل المثال، نجوم RR Lyrae لتحديد المجرات المصاحبة الخافتة لمجرة درب التبانة الخاصة بنا على مسافات 300,000 سنة ضوئية. تم استخدام طريقة الرسم التخطيطي H—R مؤخرًا لتحديد النجمين البعيدين في المجرة: النجوم الحمراء العملاقة في هالة درب التبانة بمسافات تقارب 1 مليون سنة ضوئية.
يمكننا الجمع بين المسافات التي نجدها للنجوم وقياسات تكوينها ولمعانها ودرجة حرارتها - باستخدام التقنيات الموضحة في تحليل ضوء النجوم والنجوم: التعداد السماوي. تشكل هذه معًا ترسانة المعلومات التي نحتاجها لتتبع تطور النجوم منذ الولادة وحتى الموت، وهو الموضوع الذي ننتقل إليه في الفصول التالية.
| الأسلوب | نطاق المسافة |
|---|---|
| اختلاف المنظر المثلثي | 4 - 30،000 سنة ضوئية عند اكتمال مهمة Gaia |
| نجوم آر آر ليار | حتى 300,000 سنة ضوئية |
| مخطط H-R والمسافات الطيفية | ما يصل إلى 1,200,000 سنة ضوئية |
| نجوم سيفيد | ما يصل إلى 60,000,000 سنة ضوئية |
ملخص
النجوم ذات درجات الحرارة المتطابقة ولكن الضغوط المختلفة (والأقطار) لها أطياف مختلفة إلى حد ما. لذلك يمكن استخدام التصنيف الطيفي لتقدير فئة لمعان النجم وكذلك درجة حرارته. ونتيجة لذلك، يمكن أن يسمح لنا الطيف بتحديد مكان النجم على مخطط H—R وتحديد لمعانه. هذا، مع السطوع الواضح للنجم، يعطي المسافة مرة أخرى. يمكن استخدام طرق المسافات المختلفة للتحقق من بعضها البعض وبالتالي إنشاء نوع من سلم المسافة الذي يسمح لنا بالعثور على مسافات أكبر.
مسرد المصطلحات
- فئة اللمعان
- تصنيف النجم وفقًا لمعانه ضمن فئة طيفية معينة؛ شمسنا، نجمة G2V، لها فئة لمعان V، على سبيل المثال