Skip to main content
Global

19.E: المسافات السماوية (تمارين)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197271

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

    لمزيد من الاستكشاف

    مقالات

    آدامز، أ. «انتصار هيباركوس». علم الفلك (ديسمبر 1997): 60. مقدمة مختصرة.

    دامبيك، تي. «مهمة غايا إلى درب التبانة». السماء والتلسكوب (مارس 2008): 36-39. مقدمة لمهمة قياس مسافات ومواقع النجوم بدقة غير مسبوقة.

    هيرشفيلد، أ. «الحجم المطلق للنجوم». السماء والتلسكوب (سبتمبر 1994): 35. مراجعة جيدة لكيفية قياس اللمعان باستخدام الرسوم البيانية.

    هيرشفيلد، أ. «السباق لقياس الكون». السماء والتلسكوب (نوفمبر 2001): 38. في المنظر.

    «تريفيل»، «جاي يحير المنظر» علم الفلك (سبتمبر 1998): 46. حول مفهوم وتاريخ المنظر.

    تورون، سي. «قياس الكون». السماء والتلسكوب (يوليو 1997): 28. عن مهمة هيباركوس ونتائجها.

    زيمرمان، آر. «بولاريس: ذا كود-بلو ستار». علم الفلك (مارس 1995): 45. حول متغير السيفيد الشهير وكيف يتغير.

    مواقع الويب

    أبجديات المسافة: http://www.astro.ucla.edu/~wright/distance.htm. يقدم عالم الفلك نيد رايت (UCLA) مقدمة موجزة عن العديد من الطرق المختلفة للحصول على المسافات. هذا الموقع في مستوى أعلى من كتابنا المدرسي، ولكنه مراجعة ممتازة لأولئك الذين لديهم بعض الخلفية في علم الفلك.

    الرابطة الأمريكية لمراقبي النجوم المتغيرة (AAVSO): https://www.aavso.org/. تساعد هذه المنظمة من علماء الفلك الهواة على تتبع النجوم المتغيرة؛ يحتوي موقعها على بعض المواد الأساسية وتعليمات المراقبة والروابط.

    فريدريش فيلهلم بيسيل: http://messier.seds.org/xtra/Bios/bessel.html. موقع موجز عن أول شخص يكتشف اختلاف المنظر النجمي، مع المراجع والروابط.

    غايا: http://sci.esa.int/gaia/. أخبار من مهمة Gaia، بما في ذلك الصور ومدونة لأحدث النتائج.

    هيباركوس: http://sci.esa.int/hipparcos/. الخلفية والنتائج وكتالوجات البيانات والموارد التعليمية من مهمة Hipparchos لمراقبة أوجه التشابه من الفضاء. بعض الأقسام فنية، ولكن البعض الآخر يمكن للطلاب الوصول إليه.

    جون جودريك: عالم الفلك الصم: http://www.bbc.com/news/magazine-20725639. مقال عن السيرة الذاتية من بي بي سي.

    النساء في علم الفلك: http://bit.ly/astronomywomen. المزيد عن مساهمات هنريتا ليفيت وغيرها من النساء في علم الفلك والعقبات التي واجهنها.

    مقاطع فيديو

    مهمة غايا: حل اللغز السماوي: https://www.youtube.com/watch?v=oGri4YNggoc. يصف مهمة Gaia وما يأمل العلماء في تعلمه، من جامعة كامبريدج (19:58).

    هيباركوس: خريطة الطريق إلى النجوم: https://www.youtube.com/watch?v=4d8a75fs7KI. يصف هذا الفيديو التابع لوكالة الفضاء الأوروبية مهمة قياس اختلاف المنظر ونتائجه (14:32)

    ما هو حجم الكون: https://www.youtube.com/watch?v=K_xZuopg4Sk. يناقش عالم الفلك بيت إدواردز من المعهد البريطاني للفيزياء حجم الكون ويقدم مقدمة خطوة بخطوة لمفاهيم المسافات (6:22)

    ابحث عن الآنسة ليفيت: http://perimeterinstitute.ca/videos/...h-miss-leavitt.، فيديو حديث لجورج جونسون عن بحثه عن الآنسة ليفيت (55:09).

    النساء في علم الفلك: http://www.youtube.com/watch?v=5vMR7su4fi8. تقدم إميلي رايس (CUNY) محاضرة عن مساهمات المرأة في علم الفلك، مع العديد من الأمثلة التاريخية والمعاصرة، وتحليل الاتجاهات الحديثة (52:54).

    أنشطة المجموعة التعاونية

    1. في هذا الفصل، نوضح القياسات المختلفة التي تم استخدامها لتحديد حجم العداد القياسي. يجب أن تناقش مجموعتك سبب قيامنا بتغيير تعريفات وحدة القياس القياسية في العلوم من وقت لآخر. ما هي العوامل في مجتمعنا الحديث التي تساهم في نمو التكنولوجيا؟ هل التكنولوجيا «تقود» العلم، أم أن العلم «يقود» التكنولوجيا؟ أو هل تعتقد أن الاثنين متشابكان لدرجة أنه من المستحيل تحديد السائق؟
    2. تنتشر السيفيدات في جميع أنحاء مجرة درب التبانة الخاصة بنا، ولكن تم اكتشاف علاقة الفترة باللمعان من خلال ملاحظات غيوم ماجلان، وهي مجرة تابعة معروفة الآن بأنها تبعد حوالي 160 ألف سنة ضوئية. ما هي الأسباب التي يمكنك تقديمها لشرح سبب عدم اكتشاف العلاقة من خلال ملاحظات السيفيدات في مجرتنا؟ هل ستتغير إجابتك إذا كانت هناك مجموعة صغيرة في مجرتنا تحتوي على 20 سيفيد؟ لماذا أو لماذا لا؟
    3. تريد كتابة اقتراح لاستخدام تلسكوب هابل الفضائي للبحث عن ألمع السيفيدات في المجرة M100 وتقدير لمعانها. ما الملاحظات التي ستحتاج إلى تقديمها؟ ضع قائمة بجميع الأسباب التي تجعل هذه الملاحظات أصعب مما قد تظهر لأول مرة.
    4. لماذا تفكر مجموعتك في العديد من الطرق المختلفة لتسمية النجوم التي تطورت عبر التاريخ؟ (فكر في الأيام التي سبقت اتصال الجميع بالإنترنت.) هل هناك حقول أخرى يتم فيها تسمية الأشياء بشكل مربك وتعسفي؟ كيف تختلف النجوم عن الظواهر الأخرى التي تميل العلوم والمهن الأخرى إلى تصنيفها؟
    5. على الرغم من أن السيفيدات والنجوم المتغيرة RR Lyrae تميل إلى تغيير سطوعها بشكل منتظم جدًا (أثناء وجودها في تلك المرحلة من حياتها)، إلا أن بعض النجوم المتغيرة لا يمكن التنبؤ بها أو تغير سلوكها حتى خلال فترة حياة بشرية واحدة. يتابع علماء الفلك الهواة في جميع أنحاء العالم هذه النجوم المتغيرة بصبر وإصرار، ويرسلون ملاحظاتهم الليلية إلى قواعد بيانات ضخمة يتم الاحتفاظ بها حول سلوك عدة آلاف من النجوم. لا يحصل أي من الهواة الذين يقومون بذلك على أموال مقابل تقديم مثل هذه الملاحظات المضنية. اطلب من مجموعتك مناقشة سبب قيامهم بذلك. هل فكرت يومًا في هواية تتطلب الكثير من العمل، لفترة طويلة من الليل، غالبًا في ليالي العمل؟ إذا كانت مراقبة النجوم المتغيرة لا تثير اهتمامك، فهل هناك شيء تعتقد أنه يمكنك القيام به كمتطوع بعد الكلية يثير حماسك؟ لماذا؟
    6. في الشكل\(19.2.5\) في القسم 19.2، يحدث أعلى تركيز للنجوم في منتصف التسلسل الرئيسي. هل يمكن لمجموعتك إعطاء أسباب لماذا قد يكون الأمر كذلك؟ لماذا يوجد عدد أقل من النجوم الساخنة جدًا وعدد أقل من النجوم الرائعة جدًا في هذا الرسم التخطيطي؟
    7. في هذا الفصل، نناقش اثنين من علماء الفلك الذين كانوا يتمتعون بقدرات مختلفة عن زملائهم. لم يستطع جون جودريك أن يسمع ولا يتكلم، وعانت هنريتا ليفيت من ضعف السمع طوال حياتها البالغة. ومع ذلك، قدم كل منهم مساهمات أساسية لفهمنا للكون. هل تعرف مجموعتك الأشخاص الذين يتعاملون مع الإعاقة؟ ما هي العقبات التي قد يواجهها الأشخاص ذوو الإعاقات المختلفة في محاولة القيام بعلم الفلك وما الذي يمكن فعله لتسهيل طريقهم؟ للحصول على مجموعة من الموارد في هذا المجال، راجع astronomerswithoutborders.org... resources.html.

    مراجعة الأسئلة

    1. اشرح كيف يمكن استخدام قياسات المنظر لتحديد المسافات إلى النجوم. لماذا لا يمكننا إجراء قياسات دقيقة لاختلاف المنظر خارج مسافة معينة؟
    2. لنفترض أنك اكتشفت نجمًا جديدًا للمتغير السيفيد. ما الخطوات التي ستتخذها لتحديد المسافة؟
    3. اشرح كيف ستستخدم طيف النجم لتقدير المسافة.
    4. ما الطريقة التي ستستخدمها للحصول على المسافة لكل مما يلي؟
      1. كويكب يعبر مدار الأرض
      2. نجم يعتقد علماء الفلك أنه لا يبعد أكثر من 50 سنة ضوئية عن الشمس
      3. مجموعة ضيقة من النجوم في مجرة درب التبانة تتضمن عددًا كبيرًا من النجوم المتغيرة
      4. نجمة ليست متغيرة ولكن يمكنك الحصول على طيف محدد بوضوح
    5. ما هي فئة اللمعان والنوع الطيفي لنجم بدرجة حرارة فعالة تبلغ 5000 كلفن ودرجة لمعان 100 لتر من الشمس؟

    أسئلة الفكر

    1. تم إعادة تعريف المقياس كمرجع للأرض، ثم إلى الكريبتون، وأخيرًا لسرعة الضوء. لماذا تعتقد أن النقطة المرجعية للمتر استمرت في التغيير؟
    2. في حين أن العداد هو الوحدة الأساسية للطول، فإن معظم المسافات التي يقطعها البشر تقاس بالأميال أو الكيلومترات. لماذا تعتقد هذا?
    3. يتم قياس معظم المسافات في المجرة بالسنوات الضوئية بدلاً من الأمتار. لماذا تعتقد أن هذا هو الحال؟
    4. يُعرّف الاتحاد الأفريقي بأنه متوسط المسافة بين الأرض والشمس، وليس المسافة بين الأرض والشمس. لماذا يجب أن يكون هذا هو الحال؟
    5. ما هي ميزة إجراء قياسات المنظر من بلوتو بدلاً من الأرض؟ هل سيكون هناك عيب؟
    6. تقاس التباينات بأجزاء من الثانية قوسية. ثانية قوسية واحدة تساوي 1/60 أركمين؛ الدقيقة القوسية هي، بدورها، 1/60 من الدرجة (°). للحصول على فكرة عن حجم 1°، اخرج ليلاً وابحث عن Big Dipper. تقع نجمتا المؤشر في طرفي الوعاء على مسافة 5.5 درجة. تقع النجمتان الموجودتان في الجزء العلوي من الوعاء على مسافة 10 درجات. (عشر درجات هي أيضًا عرض قبضة يدك تقريبًا عند الإمساك بها على طول الذراع وعرضها على السماء.) يظهر ميزار، النجم الثاني من نهاية مقبض Big Dipper، بشكل مزدوج. يقع النجم الخافت، ألكور، على بعد حوالي 12 قرصًا من ميزار. للمقارنة، يبلغ قطر البدر حوالي 30 أركمين. يبلغ طول حزام أوريون حوالي 3 درجات. مع وضع كل هذا في الاعتبار، لماذا استغرق الأمر حتى عام 1838 لإجراء قياسات اختلاف المنظر حتى لأقرب النجوم؟
    7. لعدة قرون، تساءل علماء الفلك عما إذا كانت المذنبات أجرام سماوية حقيقية، مثل الكواكب والنجوم، أو ظاهرة حدثت في الغلاف الجوي للأرض. وصف تجربة لتحديد أي من هذين الاحتمالين صحيح.
    8. الشمس أقرب إلى الأرض بكثير من أقرب النجوم، ومع ذلك لا يمكن قياس المنظر النهاري للشمس بدقة بالنسبة للنجوم من خلال قياس موقعها بالنسبة للأجسام الخلفية في السماء مباشرة. اشرح لماذا.
    9. تُقاس مظاهر النجوم أحيانًا بالنسبة لمواقع المجرات أو الأجسام البعيدة التي تسمى الكوازارات. لماذا هذه تقنية جيدة؟
    10. يعد تقدير فئة اللمعان لنجم M أكثر أهمية بكثير من قياسه لنجم O إذا كنت تحدد المسافة إلى هذا النجم. لماذا هذا هو الحال؟
    11. الشكل\(19.3.1\) في القسم 19.3 هو منحنى الضوء للمتغير السيفيد النموذجي Delta Cephei. كيف يقارن لمعان هذا النجم مع لمعان الشمس؟
    12. أي مما يلي يمكنك تحديده عن النجم دون معرفة المسافة التي تفصله، وأيها لا يمكنك تحديده: السرعة الشعاعية، أو درجة الحرارة، أو السطوع الظاهري، أو اللمعان؟ اشرح.
    13. تتمتع نجمة G2 بإضاءة 100 مرة من أشعة الشمس. أي نوع من النجوم هو؟ كيف يقارن نصف قطرها بنصف قطر الشمس؟
    14. درجة حرارة نجم تبلغ 10,000 كلفن ودرجة لمعانه من 10 إلى 2 لتر في الشمس. أي نوع من النجوم هو؟
    15. ما هي ميزة قياس مسافة اختلاف المنظر إلى النجم مقارنة بطرقنا الأخرى لقياس المسافة؟
    16. ما هي عيوب طريقة اختلاف المنظر، خاصة لدراسة الأجزاء البعيدة من المجرة؟
    17. Luhman 16 و WISE 0720 هما أقزام بنية اللون، وتُعرف أيضًا باسم النجوم الفاشلة، وهي من أقرب الجيران الجدد للأرض، ولكن لم يتم اكتشافها إلا في العقد الماضي. لماذا تعتقد أنها استغرقت وقتًا طويلاً لاكتشافها؟
    18. معظم النجوم القريبة من الشمس هي أقزام حمراء. ماذا يخبرنا هذا عن حدث تكوين النجوم المتوسط في مجرتنا؟
    19. لماذا سيكون من الأسهل قياس خصائص السيفيدات الأقل إضاءة جوهريًا من تلك الأكثر إضاءة؟
    20. عندما اكتشفت Henrietta Leavitt علاقة الفترة باللمعان، استخدمت النجوم السيفيدية التي كانت جميعها موجودة في سحابة Magellanic Cloud الكبيرة. لماذا احتاجت إلى استخدام النجوم في مجرة أخرى وليس السيفيدات الموجودة في درب التبانة؟

    اكتشاف نفسك

    1. تدعي عالمة فلك الرادار الجديدة في الوظيفة أنها بثت موجات راديو إلى كوكب المشتري وتلقت صدعًا بعد 48 دقيقة بالضبط. هل يجب أن تصدقها؟ لماذا أو لماذا لا؟
    2. تجاوز مسبار نيو هورايزونز بلوتو في يوليو 2015. في ذلك الوقت، كان بلوتو على بعد حوالي 32 AU من الأرض. ما المدة التي استغرقها الاتصال من المسبار للوصول إلى الأرض، إذا كانت سرعة الضوء بالكيلومتر/ساعة هي 1.08 × 10 9؟
    3. قم بتقدير الحد الأقصى والحد الأدنى من الوقت الذي تستغرقه إشارة الرادار للقيام برحلة ذهابًا وإيابًا بين الأرض والزهرة، والتي لها محور شبه رئيسي يبلغ 0.72 AU.
    4. يستخدم برنامج أبولو (وليس المهمات القمرية مع رواد الفضاء) الذي يتم إجراؤه في مرصد أباتشي بوينت تلسكوبًا بطول 3.5 متر لتوجيه الليزر إلى عاكسات رجعية تركها رواد فضاء أبولو على القمر. إذا كان القمر على بُعد 384.472 كم، فما المدة التي يحتاجها المشغلون تقريبًا للانتظار لرؤية ضوء الليزر يعود إلى الأرض؟
    5. في عام 1974، تم استخدام تلسكوب أريسيبو الراديوي في بورتوريكو لإرسال إشارة إلى M13، وهي مجموعة نجمية تبعد حوالي 25000 سنة ضوئية. كم من الوقت ستستغرق الرسالة للوصول إلى M13، وإلى أي مدى وصلت الرسالة حتى الآن (بالسنوات الضوئية)؟
    6. أظهر أن قطعة واحدة تساوي 3.09 × 10 13 كم وأنها تساوي أيضًا 3.26 سنة ضوئية. أظهر العمليات الحسابية الخاصة بك.
    7. تبلغ دقة أفضل أوجه التشابه التي تم الحصول عليها باستخدام Hipparcos 0.001 arcsec. إذا كنت ترغب في قياس المسافة إلى نجمة بدقة تبلغ 10٪، فيجب أن يكون اختلاف المنظر أكبر بعشر مرات من الخطأ النموذجي. إلى أي مدى يمكنك الحصول على مسافة دقيقة تصل إلى 10٪ باستخدام بيانات Hipparcos؟ يبلغ قطر قرص المجرة 100000 سنة ضوئية. ما كسر قطر قرص المجرة الذي يمثل المسافة التي يمكننا من خلالها قياس التباينات الدقيقة؟
    8. يقوم علماء الفلك دائمًا بإجراء مقارنات بين القياسات في علم الفلك وشيء قد يكون مألوفًا أكثر. على سبيل المثال، تخبرنا صفحات الويب الخاصة بـ Hipparcos أن دقة القياس البالغة 0.001 arcsec تعادل الزاوية التي تصنعها كرة الجولف التي يتم عرضها عبر المحيط الأطلسي، أو الزاوية التي يحدثها ارتفاع شخص على القمر كما يُنظر إليه من الأرض، أو لطول نمو شعر الإنسان في 10 ثوانٍ مثل شوهد من مسافة 10 أمتار. استخدم الأفكار الواردة في المثال\(19.2.2\) في القسم 19.2 للتحقق من إحدى المقارنات الأولى والثانية.
    9. ستعمل Gaia على تحسين الدقة بشكل كبير مقارنة بقياسات Hipparcos. سيكون متوسط عدم اليقين بالنسبة لمعظم حالات تشابه غايا حوالي 50 ميكرواركسيك، أو 0.00005 أرك ثانية. كم مرة أفضل من هيباركوس (انظر التمرين 7) هل هذه الدقة؟
    10. باستخدام نفس الأساليب المستخدمة في التمرين 7، إلى أي مدى يمكن استخدام Gaia لقياس المسافات مع عدم اليقين بنسبة 10٪؟ ما الكسر الذي يتوافق معه هذا من قرص المجرة؟
    11. العين البشرية قادرة على دقة زاوية تبلغ حوالي دقيقة قوسية واحدة، ويبلغ متوسط المسافة بين العينين حوالي 2 بوصة. إذا رمشت ورأيت شيئًا يتحرك على طول قوس واحد، فما مدى بعده عنك؟ (تلميح: يمكنك استخدام الإعداد في المثال\(19.2.2\) في القسم 19.2 كدليل.)
    12. ما مدى جودة دقة المركبة الفضائية Gaia مقارنة بالعين البشرية (التي يمكنها حل حوالي 1 arcmin)؟
    13. أحدث نظام تم اكتشافه بالقرب من الأرض هو زوج من الأقزام البنية المعروفة باسم Luhman 16. تبلغ مسافتها 6.5 سنة ضوئية. كم عدد الفرسيكات هذا؟
    14. ماذا سيكون اختلاف لوهمان 16 (انظر التمرين السابق) كما تم قياسه من الأرض؟
    15. يعد مسبار New Horizons الذي مر به بلوتو خلال يوليو 2015 أحد أسرع المركبات الفضائية التي تم تجميعها على الإطلاق. كانت تتحرك بسرعة حوالي 14 كم/ثانية عندما مرت بجانب بلوتو. إذا حافظت على هذه السرعة، فما المدة التي ستستغرقها نيو هورايزونز للوصول إلى أقرب نجم، Proxima Centauri، الذي يبعد حوالي 4.3 سنة ضوئية؟ (ملاحظة: لا تسير في هذا الاتجاه، ولكن يمكنك التظاهر بأنها كذلك.)
    16. ما الخصائص الفيزيائية المختلفة لعملاق M الذي تبلغ درجة لمعانه 1000 لتر من الشمس والقزم M بدرجة لمعان تبلغ 0.5 لتر من الشمس؟ ما الخصائص الفيزيائية نفسها؟