20.5: دورة حياة المواد الكونية

أهداف التعلم

• اشرح كيف تتدفق المادة بين النجوم داخل وخارج مجرتنا وتتحول من مرحلة إلى أخرى، وافهم كيف يؤثر تكوين النجوم وتطورها على خصائص الوسط بين النجوم
• اشرح كيف وصلت العناصر الثقيلة وحبوب الغبار الموجودة في الفضاء بين النجوم إلى هناك ووصف كيف تساعد حبيبات الغبار في إنتاج الجزيئات التي تجد طريقها في النهاية إلى أنظمة الكواكب

تدفقات الغاز بين النجوم

أهم شيء يجب فهمه عن الوسط بين النجوم هو أنه ليس ثابتًا. يدور الغاز بين النجوم عبر المجرة، وأثناء قيامه بذلك، يمكن أن يصبح أكثر أو أقل كثافة وأكثر سخونة وبرودة، ويغير حالة التأين. قد تكون قطعة معينة من الغاز عبارة عن هيدروجين محايد في مرحلة ما، ثم تجد نفسها بالقرب من نجم شاب ساخن وتصبح جزءًا من منطقة H II. قد ينفجر النجم بعد ذلك في صورة مستعر أعظم، مما يؤدي إلى تسخين الغاز القريب حتى درجات حرارة تصل إلى ملايين الدرجات. على مدى ملايين السنين، قد يبرد الغاز مرة أخرى ويصبح محايدًا مرة أخرى، قبل أن يتجمع في منطقة كثيفة تتجمع فيها الجاذبية في سحابة جزيئية عملاقة (الشكل\(\PageIndex{1}\))

الشكل: التوزيع\(\PageIndex{1}\) الواسع النطاق للمادة بين النجوم. هذه الصورة مأخوذة من محاكاة حاسوبية للوسط النجمي لمجرة درب التبانة ككل. غالبية الغاز، المرئي بألوان خضراء، عبارة عن هيدروجين محايد. في المناطق الأكثر كثافة في الأذرع الحلزونية، الموضحة باللون الأصفر، يتم جمع الغاز في سحب جزيئية عملاقة. الثقوب منخفضة الكثافة في الأذرع الحلزونية، الموضحة باللون الأزرق، هي نتيجة انفجارات السوبرنوفا.

في أي وقت من الأوقات في درب التبانة، تكون غالبية الغاز بين النجوم من حيث الكتلة والحجم في شكل هيدروجين ذري. تشغل السحب الجزيئية الأكثر كثافة جزءًا صغيرًا من حجم الفضاء بين النجوم ولكنها تضيف ما يقرب من 30٪ إلى إجمالي كتلة الغاز بين النجوم. على العكس من ذلك، يساهم الغاز الساخن الناتج عن انفجارات السوبرنوفا في كتلة ضئيلة ولكنه يحتل جزءًا كبيرًا من حجم الفضاء بين النجوم. مناطق H II، على الرغم من أنها مذهلة بصريًا، لا تشكل سوى جزء صغير جدًا من كتلة أو حجم المواد بين النجوم.

ومع ذلك، فإن الوسط بين النجوم ليس نظامًا مغلقًا. يسقط الغاز من الفضاء بين المجرات باستمرار على درب التبانة بسبب جاذبيتها، مما يضيف غازًا جديدًا إلى الوسط بين النجوم. على العكس من ذلك، في السحب الجزيئية العملاقة حيث يتجمع الغاز معًا بسبب الجاذبية، يمكن أن ينهار الغاز لتكوين نجوم جديدة، كما تمت مناقشته في كتاب «ولادة النجوم» و «اكتشاف الكواكب خارج النظام الشمسي». تقوم هذه العملية بحبس المادة بين النجوم في النجوم. مع تقدم النجوم في العمر والتطور والموت في النهاية، تفقد النجوم الضخمة جزءًا كبيرًا من كتلتها، وتفقد النجوم ذات الكتلة المنخفضة القليل جدًا. في المتوسط، يعود ما يقرب من ثلث المادة المدمجة في النجوم إلى الفضاء بين النجوم. تمتلك انفجارات السوبرنوفا الكثير من الطاقة بحيث يمكنها دفع الكتلة بين النجوم خارج المجرة والعودة إلى الفضاء بين المجرات. وبالتالي، يتم تحديد الكمية الإجمالية لكتلة الوسط بين النجوم من خلال المنافسة بين اكتساب الكتلة من الفضاء بين المجرات، وتحويل الكتلة بين النجوم إلى نجوم، وفقدان الكتلة بين النجوم مرة أخرى إلى الفضاء بين المجرات بسبب المستعرات الأعظمية. تُعرف هذه العملية بأكملها باسم دورة الباريون - الباريون هي من الكلمة اليونانية التي تعني «الثقيلة»، والدورة تحمل هذا الاسم لأنها عملية التكرار التي تخضع لها المكونات الثقيلة للكون - الذرات -.

دورة الغبار والعناصر الثقيلة

في حين أن معظم كتلة الوسط بين النجوم هي مادة تراكمت خلال المليارات القليلة الماضية من الفضاء بين المجرات، فإن هذا لا ينطبق على العناصر الأثقل من الهيدروجين والهيليوم، أو الغبار. بدلاً من ذلك، تم صنع مكونات الوسط بين النجوم داخل النجوم في مجرة درب التبانة، مما أعادها إلى الوسط بين النجوم في نهاية حياتها. سنتحدث أكثر عن هذه العملية في فصول لاحقة، ولكن في الوقت الحالي فقط ضع في اعتبارك ما تعلمناه في The Sun: A Nuclear Powerhouse. ما «تفعله النجوم من أجل لقمة العيش» هو دمج العناصر الثقيلة من العناصر الأخف وزنًا، مما ينتج الطاقة في هذه العملية. عندما تنضج النجوم، تبدأ في فقدان بعض العناصر المصنوعة حديثًا في خزان المادة بين النجوم.

وينطبق الشيء نفسه على حبيبات الغبار. يتشكل الغبار عندما تتكثف الحبوب في المناطق التي يكون فيها الغاز كثيفًا وباردًا. المكان الوحيد الذي توجد فيه الظروف المناسبة هو الرياح القادمة من النجوم الباردة المضيئة (العمالقة الحمراء والعمالقة الفائقة التي ناقشناها في The Stars: A Celestial Census). يمكن أن تتكثف الحبوب أيضًا في المادة الناتجة عن انفجار السوبرنوفا عندما تبدأ الغازات المقذوفة في التبريد.

قد تنمو حبيبات الغبار التي تنتجها النجوم أكثر عندما تقضي وقتًا في الأجزاء الكثيفة من الوسط بين النجوم، داخل السحب الجزيئية. في هذه البيئات، يمكن أن تلتصق الحبوب ببعضها البعض أو تجمع ذرات إضافية من الغاز المحيط بها، وتنمو بشكل أكبر. كما أنها تسهل إنتاج مركبات أخرى، بما في ذلك بعض الجزيئات الأكثر تعقيدًا التي ناقشناها سابقًا.

توفر أسطح حبيبات الغبار (انظر الغبار الكوني) - والتي ستبدو كبيرة جدًا إذا كنت ذرة - «زوايا وشقوق» حيث يمكن لهذه الذرات أن تلتصق لفترة كافية للعثور على شركاء وتشكيل جزيئات. (فكر في حبيبات الغبار على أنها «نوادي اجتماعية بين النجوم» حيث يمكن للذرات المنعزلة أن تلتقي وتشكل علاقات ذات مغزى.) في النهاية، تصبح حبيبات الغبار مغطاة بالثلج. إن وجود الغبار يحمي الجزيئات داخل السحب من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة الكونية التي من شأنها تفتيتها.

عندما تبدأ النجوم أخيرًا بالتشكل داخل السحابة، فإنها تسخن الحبيبات وتبخر الجليد. كما أن الجاذبية للنجوم المتكونة حديثًا تزيد أيضًا من كثافة المواد السحابية المحيطة. تحدث العديد من التفاعلات الكيميائية على أسطح الحبوب في الغاز المحيط بالنجوم المتكونة حديثًا، وهذه المناطق هي المكان الذي تتشكل فيه الجزيئات العضوية. يمكن دمج هذه الجزيئات في أنظمة الكواكب المشكلة حديثًا، وربما تم زرع الأرض المبكرة بهذه الطريقة.

في الواقع، يتوقع العلماء أن بعض المياه على الأرض ربما جاءت من حبيبات بين النجوم. أظهرت الملاحظات الأخيرة من الفضاء أن المياه وفيرة في السحب الكثيفة بين النجوم. نظرًا لأن النجوم تتكون من هذه المادة، يجب أن يكون الماء موجودًا عند ظهور الأنظمة الشمسية، بما في ذلك أنظمتنا. قد تكون المياه في محيطاتنا وبحيراتنا قد أتت في البداية من المياه المحبوسة في المواد الصخرية التي تراكمت لتشكل الأرض. بدلاً من ذلك، ربما تم جلب الماء إلى الأرض عندما أثرت عليها الكويكبات والمذنبات (التي تشكلت من نفس السحابة التي صنعت الكواكب) لاحقًا. يقدر العلماء أن تأثير مذنب واحد كل ألف عام خلال المليار سنة الأولى من عمر الأرض كان كافياً لحساب المياه التي نراها اليوم. بالطبع، قد يكون كلا المصدرين قد ساهما في المياه التي نستمتع الآن بالشرب والسباحة فيها.

سيتم تدمير أي حبيبات بين النجوم يتم دمجها في النجوم المتكونة حديثًا (بدلاً من الكواكب الباردة والأجسام الصغيرة المحيطة بها) بسبب درجات الحرارة المرتفعة. ولكن في نهاية المطاف، سيتطور كل جيل جديد من النجوم ليصبح عمالقة حمراء، مع رياح نجمية خاصة بهم. ستصبح بعض هذه النجوم أيضًا مستعرات عظمية وتنفجر. وبالتالي، يمكن أن تبدأ عملية إعادة تدوير المواد الكونية من جديد.

المفاهيم الأساسية والملخص

تتدفق المادة بين النجوم باستمرار عبر المجرة وتتغير من مرحلة إلى أخرى. في الوقت نفسه، يتم إضافة الغاز باستمرار إلى المجرة عن طريق التراكم من الفضاء خارج المجرة، بينما تتم إزالة الكتلة من الوسط بين النجوم عن طريق حبسها في النجوم. بعض الكتلة في النجوم، بدورها، تعود إلى الوسط بين النجوم عندما تتطور تلك النجوم وتموت. على وجه الخصوص، تم إنتاج جميع العناصر الثقيلة في الفضاء بين النجوم داخل النجوم، بينما تُصنع حبيبات الغبار في المناطق الخارجية للنجوم التي تضخمت لتصبح عمالقة. يمكن بعد ذلك دمج هذه العناصر والحبوب في النجوم الجديدة والأنظمة الكوكبية التي تتشكل من الوسط بين النجوم.

مسرد المصطلحات

دورة الباريون

دورة الكتلة داخل وخارج الوسط بين النجوم، بما في ذلك تراكم الغاز من الفضاء بين المجرات، وفقدان الغاز مرة أخرى إلى الفضاء بين المجرات، وتحويل الغاز بين النجوم إلى نجوم