Skip to main content
Global

20.1: الوسط بين النجوم

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197103

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

    أهداف التعلم

    في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

    • اشرح مقدار المادة بين النجوم الموجودة في مجرة درب التبانة، وما هي كثافتها النموذجية
    • وصف كيفية تقسيم الوسط بين النجوم إلى مكونات غازية وصلبة

    يشير علماء الفلك إلى جميع المواد الموجودة بين النجوم على أنها مادة بين النجوم؛ وتسمى المجموعة الكاملة من المادة بين النجوم الوسيط بين النجوم (ISM). تتركز بعض المواد الموجودة بين النجوم في السحب العملاقة، ويعرف كل منها باسم السديم (صيغة الجمع «السديم»، واللغة اللاتينية تعني «السحب»). أشهر السديم هي تلك التي يمكننا رؤيتها متوهجة أو عاكسة للضوء المرئي؛ هناك العديد من الصور لها في هذا الفصل.

    لا تدوم السحب بين النجوم طوال عمر الكون. بدلاً من ذلك، فهي تشبه السحب على الأرض، وتتغير باستمرار، وتندمج مع بعضها البعض، وتنمو، أو تنتشر. يصبح بعضها كثيفًا وضخمًا بما يكفي للانهيار تحت جاذبيتها الخاصة، مما يشكل نجومًا جديدة. عندما تموت النجوم، فإنها بدورها تقذف بعض موادها إلى الفضاء بين النجوم. يمكن لهذه المادة بعد ذلك تكوين غيوم جديدة وبدء الدورة مرة أخرى.

    حوالي 99٪ من المواد بين النجوم في شكل غاز - أي أنه يتكون من ذرات أو جزيئات فردية. أكثر العناصر وفرة في هذا الغاز هي الهيدروجين والهيليوم (اللذان رأيناهما أيضًا أكثر العناصر وفرة في النجوم)، لكن الغاز يشمل أيضًا عناصر أخرى. بعض الغاز في شكل جزيئات - مجموعات من الذرات. نسبة 1٪ المتبقية من المادة بين النجوم هي جزيئات صلبة مجمدة تتكون من العديد من الذرات والجزيئات التي تسمى الحبيبات بين النجوم أو الغبار بين النجوم (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تتكون حبيبات الغبار النموذجية من نواة من مادة تشبه الصخور (السيليكات) أو الجرافيت محاطة بغطاء من الجليد؛ ربما يكون الماء والميثان والأمونيا هي أكثر أنواع الجليد وفرة.

    أنواع مختلفة من المواد بين النجوم. يقع برج العقرب، النجم الأكثر سطوعًا في كوكبة العقرب، في أسفل اليسار في هذه الصورة ذات المجال الواسع. إنه محاط بالسديم المحمر. على يمين أنتاريس توجد المجموعة الكروية M4. في منتصف اليسار يوجد نجم ساطع محاط بالوهج الأزرق لسديم الانعكاس، وفي الوسط الأيمن يوجد نجم ساطع آخر محاط بسديم أحمر. فوق هذين النجمين يشق سديم داكن طريقه عبر الصورة يحجب الضوء من الخلف. أخيرًا، في أعلى الوسط، تحيط نجمة ساطعة بمساحة كبيرة من السديم الانعكاسي الأزرق، تتقاطع مع ممرات الغبار الداكنة.
    الشكل: أنواع\(\PageIndex{1}\) مختلفة من المواد بين النجوم. تتوهج السديم الحمراء في هذه الصورة المذهلة بالضوء المنبعث من ذرات الهيدروجين. أحلك المناطق هي سحب الغبار التي تحجب الضوء من النجوم خلفها. يمتلئ الجزء العلوي من الصورة بالوهج المزرق للضوء المنعكس من النجوم الساخنة المغروسة في ضواحي سحابة ضخمة باردة من الغبار والغاز. يمكن رؤية النجم العملاق الرائع أنتاريس على أنه رقعة حمراء كبيرة في الجزء السفلي الأيسر من الصورة. يتساقط النجم بعضًا من غلافه الجوي الخارجي وتحيط به سحابة من صنعه تعكس الضوء الأحمر للنجم. يحيط السديم الأحمر في منتصف اليمين جزئيًا بالنجمة Sigma Scorpii. (على يمين أنتاريس، يمكنك رؤية M4، وهي مجموعة أبعد بكثير من النجوم القديمة جدًا.)

    إذا تم نشر كل الغاز بين النجوم داخل المجرة بسلاسة، فلن يكون هناك سوى حوالي ذرة واحدة من الغاز لكل سم 3 في الفضاء بين النجوم. (في المقابل، يحتوي الهواء الموجود في الغرفة التي تقرأ فيها هذا الكتاب على ما يقرب من 1019 ذرة لكل سم 3.) حتى أن حبيبات الغبار أكثر ندرة. سيحتوي الكيلومتر 3 من الفضاء على بضع مئات إلى بضعة آلاف من الحبوب الصغيرة، وعادة ما يقل قطر كل منها عن عشرة آلاف من المليمتر. ومع ذلك، فإن هذه الأرقام ليست سوى متوسطات، لأن الغاز والغبار يتوزعان بطريقة متقطعة وغير منتظمة، مثل بخار الماء في الغلاف الجوي للأرض غالبًا ما يتركز في السحب.

    في بعض السحب بين النجوم، قد تتجاوز كثافة الغاز والغبار المتوسط بما يصل إلى ألف مرة أو أكثر، ولكن حتى هذه الكثافة تكاد تكون فراغًا أكثر من أي فراغ يمكننا صنعه على الأرض. لإظهار ما نعنيه، دعونا نتخيل أنبوبًا رأسيًا للهواء يصل من الأرض إلى قمة الغلاف الجوي للأرض بمقطع عرضي يبلغ 1 متر مربع. الآن دعونا نمد الأنبوب بنفس الحجم من أعلى الغلاف الجوي وصولاً إلى حافة الكون المرئي - على بعد أكثر من 10 مليارات سنة ضوئية. على الرغم من أنه كذلك، إلا أن الأنبوب الثاني سيظل يحتوي على ذرات أقل من تلك الموجودة في الغلاف الجوي لكوكبنا.

    في حين أن كثافة المادة بين النجوم منخفضة جدًا، فإن حجم الفضاء الذي توجد فيه هذه المادة ضخم، وبالتالي فإن كتلتها الإجمالية كبيرة. لمعرفة السبب، يجب أن نضع في الاعتبار أن النجوم تحتل جزءًا صغيرًا فقط من حجم مجرة درب التبانة. على سبيل المثال، يستغرق الضوء حوالي أربع ثوانٍ فقط لقطع مسافة تساوي قطر الشمس، ولكن أكثر من أربع سنوات للسفر من الشمس إلى أقرب نجم. على الرغم من أن المساحات بين النجوم قليلة السكان، إلا أن هناك مساحة كبيرة هناك!

    يقدر علماء الفلك أن الكتلة الكلية للغاز والغبار في مجرة درب التبانة تساوي حوالي 15٪ من الكتلة الموجودة في النجوم. هذا يعني أن كتلة المادة بين النجوم في مجرتنا تبلغ حوالي 10 مليارات مرة كتلة الشمس. هناك الكثير من المواد الخام في المجرة لتكوين أجيال من النجوم والكواكب الجديدة (وربما حتى طلاب علم الفلك).

    مثال\(\PageIndex{1}\): تقدير الكتلة بين النجوم

    يمكنك إجراء تقدير تقريبي لمقدار الكتلة بين النجوم التي تحتويها مجرتنا وأيضًا عدد النجوم الجديدة التي يمكن صنعها من هذه المادة بين النجوم. كل ما تحتاج إلى معرفته هو حجم المجرة ومتوسط الكثافة باستخدام هذه الصيغة:

    \[ \text{total mass } = \text{ volume } \times \text{ density of atoms } \times \text{ mass per atom } \nonumber\]

    يجب أن تتذكر استخدام وحدات متسقة - مثل الأمتار والكيلوجرامات. سنفترض أن مجرتنا على شكل أسطوانة؛ حجم الأسطوانة يساوي مساحة قاعدتها مضروبًا في ارتفاعها

    \[V=\pi R^2h \nonumber\]

    \(R\)أين نصف قطر الأسطوانة\(h\) وارتفاعها.

    لنفترض أن متوسط كثافة غاز الهيدروجين في مجرتنا هو ذرة واحدة لكل سم 3. كتلة كل ذرة هيدروجين 1.7 × 10 −27 kg. إذا كانت المجرة عبارة عن أسطوانة قطرها 100,000 سنة ضوئية وارتفاعها 300 سنة ضوئية، فما كتلة هذا الغاز؟ ما عدد النجوم ذات الكتلة الشمسية (2.0 × 10 30 kg) التي يمكن إنتاجها من كتلة الغاز هذه إذا تحولت جميعها إلى نجوم؟

    الحل

    تذكر أن سنة ضوئية واحدة = 9.5 × 10 12 كم = 9.5 × 10 17 سم، وبالتالي فإن حجم المجرة هو

    \[ V= \pi R^2 h = \pi \left( 50,000 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right)^2 \left( 300 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right) = 2.0×10^{66} \text{ cm}^3 \nonumber\]

    وبالتالي فإن الكتلة الكلية هي

    \[M=V \times \text{ density of atoms } \times \text{ mass per atom} \nonumber\]

    \[2.0 \times 10^{66} \text{ cm}^3 \times \left(1 \text{ atom/cm}^3 \right) \times 1.7 \times 10^{–27} \text{ kg} =3.5 \times 10^{39} \text{ kg} \nonumber\]

    هذا يكفي لصنع

    \[N= \frac{M}{\left( 2.0 \times 10^{30} \text{ kg} \right)}=1.75 \times 10^9 \nonumber\]

    النجوم متساوية في الكتلة مع الشمس. هذا ما يقرب من 2 مليار نجم.

    التمارين\(\PageIndex{1}\)

    يمكنك استخدام نفس الطريقة لتقدير كتلة الغاز بين النجوم حول الشمس. تبلغ المسافة من الشمس إلى أقرب نجم آخر، Proxima Centauri، 4.2 سنة ضوئية. سنرى في المادة بين النجوم حول الشمس أن الغاز الموجود في المنطقة المجاورة مباشرة للشمس أقل كثافة من المتوسط، حوالي 0.1 ذرة لكل سم 3. ما الكتلة الكلية للهيدروجين الموجود بين النجوم في كرة تتمركز حول الشمس وتمتد إلى بروكسيما سنتوري؟ كيف يمكن مقارنة هذا بكتلة الشمس؟ من المفيد أن تتذكر أن حجم الكرة مرتبط بنصف قطرها:

    \[ V=(4/3) \pi R^3 \nonumber\]

    إجابة

    حجم الكرة الممتدة من الشمس إلى Proxima Centauri هو:

    \[V=(4/3) \pi R^3=(4/3) \pi \left( 4.2 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right)^3=2.7×10^{56} \text{ cm}^3 \nonumber\]

    لذلك، فإن كتلة الهيدروجين في هذا المجال هي:

    \[M=V \times \left( 0.1 \text{ atom/cm}^3 \right) \times 1.7 \times 10^{–27} \text{ kg } = 4.5 \times 10^{28} \text{ kg} \nonumber\]

    هذه ليست سوى\( \left(4.5 \times 10^{28} \text{ kg} \right)/ \left(2.0 \times 10^{30} \text{ kg} \right) = 2.2 /%\) كتلة الشمس.

    تسمية السديم

    عندما تنظر إلى التسميات التوضيحية لبعض الصور المذهلة في هذا الفصل و «ولادة النجوم واكتشاف الكواكب خارج المجموعة الشمسية»، ستلاحظ تنوع الأسماء المعطاة للسديم. بعضها، الذي يبدو في التلسكوبات الصغيرة وكأنه شيء يمكن التعرف عليه، يتم تسميته أحيانًا على اسم المخلوقات أو الأشياء التي تشبهها. تشمل الأمثلة سرطان البحر والرتيلاء وسديم ثقب المفتاح. لكن معظمها يحتوي فقط على أرقام مُدخلة في كتالوج الأجسام الفلكية.

    ربما قام عالم الفلك الفرنسي تشارلز ميسييه (1730-1817) بتجميع الكتالوج الأكثر شهرة للسديم (وكذلك مجموعات النجوم والمجرات). كان شغف مسييه هو اكتشاف المذنبات، وقد أكسبه إخلاصه لهذه القضية لقب «The Comet Ferret» من الملك لويس الخامس عشر. عندما تُرى المذنبات لأول مرة وهي تأتي نحو الشمس، فإنها تبدو وكأنها بقع ضوئية صغيرة غامضة؛ وفي التلسكوبات الصغيرة، يسهل الخلط بينها وبين السديم أو مع مجموعات من العديد من النجوم البعيدة جدًا بحيث يمتزج ضوؤها معًا. مرارًا وتكرارًا، قفز قلب مسييه عندما اعتقد أنه اكتشف أحد المذنبات الثمينة، فقط ليجد أنه قد لاحظ «مجرد» سديم أو عنقود.

    في حالة من الإحباط، شرع مسييه في تصنيف موضع ومظهر أكثر من 100 كائن يمكن الخلط بينها وبين المذنبات. بالنسبة له، كانت هذه القائمة مجرد أداة في العمل الأكثر أهمية لصيد المذنبات. سيكون مندهشًا جدًا إذا عاد اليوم ليكتشف أنه لم يعد أحد يتذكر المذنبات، لكن كتالوجه «الأشياء الغامضة التي ليست مذنبات» لا يزال مستخدمًا على نطاق واسع. عندما\(\PageIndex{1}\) يشير الشكل إلى M4، فإنه يشير إلى الإدخال الرابع في قائمة Messier.

    تم تجميع قائمة أكثر شمولاً تحت عنوان الكتالوج العام الجديد (NGC) لمجموعات السديم والنجوم في عام 1888 بواسطة جون دراير، الذي كان يعمل في المرصد في أرماغ بأيرلندا. واستند في تجميعه إلى أعمال ويليام هيرشل وابنه جون، بالإضافة إلى العديد من المراقبين الآخرين الذين تابعوهم. مع إضافة قائمتين أخريين (تسمى كتالوجات الفهرس)، تضمنت مجموعة Dreyer في النهاية 13000 كائن. لا يزال علماء الفلك اليوم يستخدمون أرقام NGC الخاصة به عند الإشارة إلى معظم السديم ومجموعات النجوم.

    ملخص

    حوالي 15٪ من المادة المرئية في المجرة هي في شكل غاز وغبار، وهي بمثابة المادة الخام للنجوم الجديدة. حوالي 99% من هذه المادة بين النجوم تكون في شكل ذرات أو جزيئات غازية فردية. أكثر العناصر وفرة في الغاز بين النجوم هي الهيدروجين والهيليوم. حوالي 1٪ من المادة بين النجوم في شكل حبيبات غبار صلبة بين النجوم.

    مسرد المصطلحات

    غبار بين النجوم
    يُعتقد أن الحبيبات الصلبة الصغيرة في الفضاء بين النجوم تتكون من نواة من مادة تشبه الصخور (السيليكات) أو الجرافيت المحاط بغطاء من الجليد؛ ربما تكون المياه والميثان والأمونيا هي أكثر أنواع الجليد وفرة
    الوسيط بين النجوم (ISM)
    (أو المادة بين النجوم) الغاز والغبار بين النجوم في المجرة
    سديم
    سحابة من الغاز أو الغبار بين النجوم؛ يستخدم المصطلح غالبًا للغيوم التي يُنظر إليها على أنها تتوهج بالضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء