Skip to main content
Global

20E: بين النجوم - الغاز والغبار في الفضاء (تمارين)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197094

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

    لمزيد من الاستكشاف

    مقالات

    جودمان، أ. «إعادة تدوير الكون». السماء والتلسكوب نوفمبر (2000): 44. مراجعة لكيفية عمل التطور النجمي والوسط بين النجوم والمستعرات الأعظمية معًا لإعادة تدوير المواد الكونية.

    جرينبيرج، جيه «أسرار ستاردست». ساينتفيك أمريكان ديسمبر (2000): 70. التركيب والدور التطوري للجسيمات الصلبة بين النجوم.

    كناب، جي. «الأشياء بين النجوم». السماء والتلسكوب مايو (1995): 20. مقدمة للوسط النجمي.

    ناديس، س. «البحث عن جزيئات الحياة في الفضاء». السماء والتلسكوب يناير (2002): 32. الملاحظات الأخيرة للمياه في الوسط بين النجوم بواسطة التلسكوبات الفضائية.

    أولينتو، أ. «حل لغز الأشعة الكونية». علم الفلك أبريل (2014): 30. ما الذي يسرعهم إلى مثل هذه الطاقات العالية.

    رينولدز، آر. «الغاز بين النجوم». ساينتفيك أمريكان يناير (2002): 34. على الوسط بين النجوم.

    مواقع الويب والتطبيقات

    بارنارد، إي.، مذكرات السيرة الذاتية: www.nasonline.org/publication... ard-edward.pdf.

    كوزميكوبيا: helios.gsfc.nasa.gov/cosmic.html. يشرح موقع التعلم التابع لناسا التاريخ والفهم الحديث للأشعة الكونية.

    ديكو: https://wipac.wisc.edu/deco. تطبيق هاتف ذكي لتحويل هاتفك إلى كاشف للأشعة الكونية.

    صور تلسكوب هابل الفضائي للسديم: http://hubblesite.org/gallery/album/nebula/. انقر فوق أي من الصور الجميلة في هذه المجموعة، وسيتم نقلك إلى صفحة تحتوي على مزيد من المعلومات؛ أثناء النظر إلى هذه الصور، قد ترغب أيضًا في تصفح تسلسل الشرائح حول معنى الألوان في صور Hubble (http://hubblesite.org/gallery/behind...ning_of_color/).

    برنامج تعليمي متوسط عبر الإنترنت بين النجوم: www-ssg.sr.unh.edu/ism/intro.htm. مقدمة غير تقنية للوسط بين النجوم (ISM) وكيفية دراسته؛ من قبل قسم علم الفلك بجامعة نيو هامبشاير.

    كتالوج ميسير للسديم والعناقيد والمجرات: http://astropixels.com/messier/messiercat.html. يقدم عالم الفلك فريد إسبيناك الكتالوج الكامل، مع المعلومات والصور. (قائمة ويكيبيديا تفعل شيئًا مشابهًا: en.wikipedia.org/wiki/list_o... ssier_objects.)

    السديم: ما هي؟ : http://www.universetoday.com/61103/what-is-a-nebula/. مقدمة موجزة من مات ويليامز.

    مقاطع فيديو

    بارنارد 68: الثقب في السماء: https://www.youtube.com/watch?v=8No6I0Uc3No. حول هذه السحابة المظلمة والغيوم الداكنة في الفضاء بين النجوم بشكل عام (02:08).

    سديم رأس الحصان في ضوء جديد: www.esa.int/spaceinvideos/vid... a_in_new_light. جولة في السديم المظلم بأطوال موجية مختلفة؛ لا يوجد سرد صوتي، فقط موسيقى، ولكن تظهر مواد توضيحية على الشاشة (03:03).

    Hubblecast 65: منظر جديد بالكامل لسديم رأس الحصان: http://www.spacetelescope.org/videos/heic1307a/. تقرير عن السديم بشكل عام وعن رأس الحصان على وجه التحديد، مع عالم الفلك ESO جو ليسك (06:03).

    احمرار بين النجوم: https://www.youtube.com/watch?v=H2M80RAQB6k. فيديو يوضح كيفية عمل الاحمرار، مع سكوت ميلر من ولاية بنسلفانيا؛ غريب بعض الشيء ولكنه مفيد (03:45).

    أنشطة المجموعة التعاونية

    1. تقع الشمس في منطقة تكون فيها كثافة المادة بين النجوم منخفضة. لنفترض أنه بدلاً من ذلك كان موجودًا في سحابة كثيفة قطرها 20 سنة ضوئية أدت إلى تعتيم الضوء المرئي من النجوم الموجودة خارجها بعامل 100. اطلب من مجموعتك مناقشة كيفية تأثير ذلك على تطور الحضارة على الأرض. على سبيل المثال، هل كانت ستمثل مشكلة للملاحين الأوائل؟
    2. يجب أن يطلع أعضاء مجموعتك على الصور في هذا الفصل. ما حجم السديم التي تراها في الصور؟ هل هناك أي أدلة سواء في الصور أو في التسميات التوضيحية؟ هل الغيوم التي يشكلون جزءًا منها أكبر بكثير من السديم التي يمكننا رؤيتها؟ لماذا؟ اقترح بعض الطرق التي يمكننا من خلالها تحديد أحجام السديم.
    3. كيف يعتقد أعضاء مجموعتك أن علماء الفلك قادرون على تقدير مسافات هذه السدم في مجرتنا؟ (تلميح: انظر إلى الصور. هل يمكنك رؤية أي شيء بيننا وبين السديم في بعض الحالات. راجع المسافات السماوية، إذا كنت بحاجة إلى تذكير نفسك بطرق قياس المسافات.)
    4. يشير النص إلى أن أنبوب الهواء الممتد من سطح الأرض إلى قمة الغلاف الجوي يحتوي على ذرات أكثر من أنبوب من نفس القطر يمتد من أعلى الغلاف الجوي إلى حافة الكون المرئي. غالبًا ما يقوم العلماء بما يسمونه «حسابات الجزء الخلفي من المغلف»، حيث يقومون بعمل تقديرات تقريبية جدًا لمجرد معرفة ما إذا كانت العبارات أو الأفكار صحيحة. حاول إجراء مثل هذا التقدير «السريع والقذر» لهذا البيان مع مجموعتك. ما خطوات مقارنة أعداد الذرات الموجودة في الأنبوبين المختلفين؟ ما المعلومات التي تحتاجها لإجراء التقديرات التقريبية؟ هل يمكنك العثور عليها في هذا النص؟ وهل البيان صحيح؟
    5. إذا كانت دورة علم الفلك الخاصة بك تتضمن التعرف على النظام الشمسي قبل الوصول إلى هذا الفصل، فاطلب من مجموعتك مناقشة أماكن أخرى إلى جانب السحب بين النجوم، اكتشف علماء الفلك الجزيئات العضوية (اللبنات الكيميائية للحياة). كيف يمكن أن ترتبط اكتشافات مثل هذه الجزيئات في نظامنا الشمسي بالجزيئات الموجودة في السحب التي تمت مناقشتها في هذا الفصل؟
    6. كلا النجمين لهما مظهر أحمر في التلسكوبات. أحد النجوم أحمر في الواقع؛ أما ضوء الآخر فقد أحمره الغبار بين النجوم وهو في طريقه إلينا. اطلب من مجموعتك إعداد قائمة بالملاحظات التي يمكنك القيام بها لتحديد النجمة.
    7. لقد طُلب منك التحدث إلى فصل المدرسة الإعدادية لأخيك الصغير عن علم الفلك، وقررت التحدث عن كيفية قيام الطبيعة بإعادة تدوير الغاز والغبار. اطلب من مجموعتك مناقشة الصور من هذا الكتاب التي قد تستخدمها في حديثك. في أي ترتيب؟ ما هي الفكرة الكبيرة التي تود أن يتذكرها الطلاب عندما ينتهي الفصل؟
    8. يتضمن هذا الفصل والتالي (عن ولادة النجوم) بعضًا من أجمل صور السديم التي تتوهج مع الضوء الناتج عندما يتفاعل ضوء النجوم مع الغاز والغبار. اطلب من مجموعتك اختيار واحد إلى أربعة من هذه السديم المفضلة لديك وإعداد تقرير عنها لمشاركتها مع بقية الفصل. (قم بتضمين أشياء مثل موقعها ومسافتها وحجمها وطريقة توهجها وما يحدث داخلها.)

    مراجعة الأسئلة

    1. حدد العديد من السديم الداكنة في الصور في هذا الفصل. أعط الأرقام الشكلية للصور، وحدد مكان وجود السديم الداكنة عليها.
    2. لماذا تبدو السديم القريبة من النجوم الساخنة حمراء؟ لماذا تبدو سحب الغبار بالقرب من النجوم عادة زرقاء؟
    3. وصف خصائص الأنواع المختلفة من الغاز بين النجوم (مناطق HII، وسحب الهيدروجين المحايدة، وسحب الغاز فائقة الحرارة، والسحب الجزيئية).
    4. قم بإعداد جدول يسرد الطرق المختلفة التي يمكن من خلالها اكتشاف الغبار والغاز في الفضاء بين النجوم.
    5. وصف كيفية تشكل خط الهيدروجين الذي يبلغ طوله ٢١ سم. لماذا يعتبر هذا الخط أداة مهمة لفهم الوسط بين النجوم؟
    6. وصف خصائص حبيبات الغبار الموجودة في الفراغ بين النجوم.
    7. لماذا يصعب تحديد مصدر الأشعة الكونية؟
    8. ما الذي يسبب احمرار ضوء النجوم؟ اشرح كيف أن اللون المحمر لقرص الشمس عند غروب الشمس ناتج عن نفس العملية.
    9. لماذا لا تتشكل الجزيئات، بما\(\ce{H2}\) في ذلك الجزيئات العضوية الأكثر تعقيدًا، إلا داخل السحب الداكنة؟ لماذا لا يملأون كل الفضاء بين النجوم؟
    10. لماذا لا يمكننا استخدام التلسكوبات الضوئية المرئية لدراسة السحب الجزيئية حيث تتكون النجوم والكواكب؟ لماذا تعمل التلسكوبات بالأشعة تحت الحمراء أو الراديوية بشكل أفضل؟
    11. يتم تحديد كتلة الوسط بين النجوم من خلال التوازن بين المصادر (التي تضيف الكتلة) والمصارف (التي تزيلها). قم بعمل جدول يسرد المصادر والمصارف الرئيسية، واشرح كل منها بإيجاز.
    12. من أين يأتي الغبار بين النجوم؟ كيف تتشكل؟

    أسئلة الفكر

    1. يُظهر الشكل\(20.1.1\) في القسم 20.1 توهجًا محمرًا حول نجم العقرب، ومع ذلك فإن التسمية التوضيحية تقول إنها سحابة غبار. ما الملاحظات التي ستقوم بها لتحديد ما إذا كان التوهج الأحمر ناتجًا بالفعل عن الغبار أو ما إذا كان ناتجًا عن منطقة H II؟
    2. إذا كان التوهج الأحمر حول برج العقرب ناتجًا بالفعل عن انعكاس الضوء الصادر من برج العقرب بواسطة الغبار، فماذا يخبرك مظهره الأحمر عن درجة الحرارة المحتملة لكوكب العقرب؟ ابحث عن النوع الطيفي لكوكب العقرب في الملحق J. هل كان تقديرك لدرجة الحرارة صحيحًا؟ في معظم الصور في هذا الفصل، يرتبط التوهج الأحمر بالهيدروجين المؤين. هل تتوقع العثور على منطقة H II حول أنتاريس؟ اشرح إجابتك.
    3. على الرغم من أن الهيدروجين المحايد هو العنصر الأكثر وفرة في المادة بين النجوم، فقد تم اكتشافه أولاً باستخدام تلسكوب راديوي، وليس تلسكوب ضوئي مرئي. اشرح لماذا. (قد يكون التفسير الوارد في تحليل Starlight لحقيقة أن خطوط الهيدروجين ليست قوية في النجوم من جميع درجات الحرارة مفيدًا.)
    4. يتم نطق المصطلحين H II و H2 «H two». ما الفرق في معنى هذين المصطلحين؟ هل يمكن أن يكون هناك شيء مثل H III؟
    5. لنفترض أن شخصًا ما أخبرك أنها اكتشفت H II حول النجم Aldebaran. هل تصدقها؟ لماذا أو لماذا لا؟
    6. وصف طيف كل مما يلي:
      1. ضوء النجوم المنعكس بالغبار،
      2. نجم وراء الغاز غير المرئي بين النجوم، و
      3. سديم الانبعاثات.
    7. وفقًا للنص، يجب أن تكون النجمة أكثر سخونة من حوالي 25,000 كلفن لإنتاج منطقة H II. تزيد درجة حرارة كل من الأقزام البيضاء الأكثر سخونة ونجوم التسلسل الرئيسي O عن 25000 K. أي نوع من النجوم يمكنه تأين المزيد من الهيدروجين؟ لماذا؟
    8. من التعليقات الواردة في النص حول أنواع النجوم التي تنتج سديم الانبعاثات والأنواع المرتبطة بالسدم الانعكاسية، ماذا يمكنك أن تقول عن درجات حرارة النجوم التي تنتج NGC 1999 (الشكل\(20.3.5\) في القسم 20.3)؟
    9. تتمثل إحدى طرق حساب حجم وشكل المجرة في تقدير المسافات إلى النجوم الخافتة فقط من سطوعها الظاهري الملحوظ وملاحظة المسافة التي لم تعد النجوم قابلة للملاحظة فيها. لم يعرف علماء الفلك الأوائل الذين جربوا هذه التجربة أن ضوء النجوم خافت بسبب الغبار بين النجوم. كانت تقديراتهم لحجم المجرة صغيرة جدًا. اشرح لماذا.
    10. تتشكل النجوم الجديدة في المناطق التي تكون فيها كثافة الغاز والغبار عالية نسبيًا. لنفترض أنك تريد البحث عن بعض النجوم التي تم تشكيلها مؤخرًا. هل من المرجح أن تنجح إذا لاحظت الأطوال الموجية المرئية أو الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء؟ لماذا؟
    11. عند التفكير في الموضوعات الواردة في هذا الفصل، إليك تشبيه الأرض. في المدن الكبيرة، يمكنك رؤية مسافة أبعد بكثير في الأيام الخالية من الضباب الدخاني. لماذا؟
    12. تتشكل النجوم في درب التبانة بمعدل حوالي 1 كتلة شمسية في السنة. بهذا المعدل، كم من الوقت سيستغرق تحويل كل الغاز بين النجوم في درب التبانة إلى نجوم إذا لم يكن هناك غاز جديد قادم من الخارج؟ كيف يمكن مقارنة هذا بالعمر المقدر للكون، 14 مليار سنة؟ ماذا تستنتج من هذا؟
    13. يمكن استخدام خط 21 سم ليس فقط لمعرفة مكان الهيدروجين في السماء، ولكن أيضًا لتحديد مدى سرعة تحركه نحونا أو بعيدًا عنا. وصف كيف يمكن أن يعمل هذا.
    14. اكتشف علماء الفلك مؤخرًا الضوء المنبعث من السوبرنوفا الذي لوحظ في الأصل عام 1572، ووصل للتو إلى الأرض الآن. وانعكس هذا الضوء على سحابة الغبار؛ ويطلق علماء الفلك على هذا الضوء المنعكس اسم «صدى الضوء» (تمامًا مثل الصوت المنعكس يسمى الصدى). كيف تتوقع مقارنة طيف صدى الضوء مع طيف السوبرنوفا الأصلي؟
    15. يمكننا اكتشاف انبعاث 21 سم من المجرات الأخرى وكذلك من مجرتنا. ومع ذلك، فإن انبعاث 21 سم من مجرتنا يملأ معظم السماء، لذلك عادة ما نرى كلاهما في وقت واحد. كيف يمكننا التمييز بين انبعاث 21 سم خارج المجرة عن الانبعاثات الناشئة في مجرتنا؟ (تلميح: المجرات الأخرى تتحرك بشكل عام بالنسبة إلى درب التبانة.)
    16. لقد قلنا مرارًا وتكرارًا أن الضوء الأزرق يتعرض للانقراض أكثر من الضوء الأحمر، وهو ما ينطبق على الأطوال الموجية المرئية والأقصر. هل ينطبق الشيء نفسه على الأشعة السينية؟ انظر إلى الشكل\(20.6.1\) في القسم 20.6. يوجد معظم الغبار في المستوى المجري في منتصف الصورة، ويتوافق اللون الأحمر في الصورة مع الضوء الأكثر احمرارًا (الأقل طاقة). استنادًا إلى ما تراه في الطائرة المجرية، هل تتعرض الأشعة السينية لمزيد من الانقراض بألوان أكثر احمرارًا أو زرقة؟ قد تفكر في مقارنة الشكل\(20.6.1\) في القسم 20.6 بالشكل\(20.3.6\) في القسم 20.3.
    17. لنفترض أنه بدلاً من التواجد داخل الفقاعة المحلية، كانت الشمس عميقة داخل سحابة جزيئية عملاقة. كيف ستبدو سماء الليل كما تُرى من الأرض بأطوال موجية مختلفة؟
    18. لنفترض أنه بدلاً من التواجد داخل الفقاعة المحلية، كانت الشمس داخل منطقة H II. كيف ستبدو سماء الليل بأطوال موجية مختلفة؟

    اكتشاف نفسك

    1. تكون السحابة الجزيئية أكثر كثافة بحوالي 1000 مرة من متوسط الوسط بين النجوم. دعونا نقارن هذا الاختلاف في الكثافة بشيء مألوف أكثر. تبلغ كثافة الهواء حوالي 1 كجم/م 3، لذا فإن شيئًا أكثر كثافة 1000 مرة من الهواء سيكون له كثافة حوالي 1000 كجم/م 3. كيف يمكن مقارنة ذلك بالكثافة النموذجية للمياه؟ من الجرانيت؟ (يمكنك العثور على أرقام لهذه الكثافة على الإنترنت.) هل فرق الكثافة بين السحابة الجزيئية والوسط بين النجوم أكبر أو أصغر من فرق الكثافة بين الهواء والماء أو الجرانيت؟
    2. هل تتوقع أن تكون قادرًا على اكتشاف منطقة H II في انبعاث الأشعة السينية؟ لماذا أو لماذا لا؟ (تلميح: يمكنك تطبيق قانون فيينا)
    3. لنفترض أنك جمعت كرة من الغاز بين النجوم تساوي حجم الأرض (دائرة نصف قطرها حوالي 6000 كم). إذا كانت كثافة هذا الغاز تبلغ ذرة هيدروجين واحدة لكل سم 3، وهي نموذجية للوسط بين النجوم، فكيف يمكن مقارنة كتلته بكتلة كرة بولينج (٥ أو ٦ كجم)؟ ماذا لو كانت الكثافة النموذجية للفقاعة المحلية، حوالي 0.01 ذرة لكل سم 3؟ حجم الكرة هو\(V = \left( \frac{4}{3} \right) \pi R^3\).
    4. عند متوسط كثافة الوسط بين النجوم، ذرة واحدة لكل سم 3، ما حجم المادة التي يجب استخدامها لصنع نجمة بكتلة الشمس؟ ما نصف قطر كرة بهذا الحجم؟ عبّر عن إجابتك في السنوات الضوئية.
    5. ضع في اعتبارك حبة رمل تحتوي على 1 ملغ من الأكسجين (كمية نموذجية لحبوب رملية متوسطة الحجم، حيث أن الرمل موجود في الغالب\(\che{SiO2}\)). ما عدد ذرات الأكسجين التي تحتويها الحبوب؟ ما نصف قطر الكرة التي سيتعين عليك توزيعها عليها إذا أردت أن تكون لها نفس كثافة الوسط بين النجوم، حوالي ذرة واحدة لكل سم 3؟ يمكنك البحث عن كتلة ذرة الأكسجين.
    6. لا يمكن أن توجد مناطق H II إلا إذا كان هناك نجم قريب ساخن بما يكفي لتأين الهيدروجين. يتأين الهيدروجين فقط بالإشعاع بأطوال موجية أقصر من 91.2 نانومتر. ما درجة حرارة نجم ينبعث منه أقصى طاقته عند ٩١٫٢ نانومترًا؟ (استخدم قانون فيينا من الإشعاع والأطياف.) بناءً على هذه النتيجة، ما هي الأنواع الطيفية لتلك النجوم التي من المحتمل أن توفر طاقة كافية لإنتاج مناطق H II؟
    7. في النص، قلنا أن الأكسجين المؤين خمس مرات (OVI) الذي يظهر في الغاز الساخن يجب أن يكون ناتجًا عن صدمات السوبرنوفا التي أدت إلى تسخين الغاز إلى ملايين الدرجات، وليس عن طريق ضوء النجوم، بالطريقة التي يتم بها إنتاج H II. يتطلب إنتاج OVI بالضوء أطوال موجية أقصر من 10.9 نانومتر. تبلغ درجات حرارة سطح أهم النجوم المرصودة حوالي 50000 كلفن. هل يمكن أن تنتج OVI؟
    8. تم اكتشاف الغبار في الأصل لأن النجوم في مجموعات معينة بدت خافتة أكثر مما كان متوقعًا. لنفترض أن نجمًا يقع خلف سحابة من الغبار تقلل من سطوعه بعامل 100. لنفترض أنك لا تدرك أن الغبار موجود. ما مقدار الخطأ الذي سيكون عليه تقدير المسافة الخاصة بك؟ هل يمكنك التفكير في أي قياس قد تقوم به للكشف عن الغبار؟
    9. كيف يمكن مقارنة الكثافة داخل سحابة باردة (\(T\)= 10 K) بكثافة الغاز بين النجوم فائق الحرارة (\(T\)= 106 K) إذا كانت في حالة توازن الضغط؟ (يتطلب الأمر سحابة كبيرة لتتمكن من حماية الجزء الداخلي من التدفئة بحيث يمكن أن يكون في درجة حرارة منخفضة.) (تلميح: في حالة توازن الضغط، يجب أن تكون\(nT\) المنطقتان متساويتين،\(n\) أين عدد الجسيمات لكل وحدة حجم ودرجة\(T\) الحرارة.) ما هي المنطقة التي تعتقد أنها أكثر ملاءمة لإنشاء نجوم جديدة؟ لماذا؟
    10. يشير النص إلى أن الزغب المحلي، الذي يحيط بالشمس، تبلغ درجة حرارته 7500 كلفن وكثافة 0.1 ذرة لكل سم 3. يتم تضمين الزغب المحلي في الغاز الساخن بدرجة حرارة 106 كلفن وكثافة حوالي 0.01 ذرة لكل سم 3. هل هم في حالة توازن؟ (تلميح: في حالة توازن الضغط، يجب أن تكون\(nT\) المنطقتان متساويتين،\(n\) أين عدد الجسيمات لكل وحدة حجم ودرجة\(T\) الحرارة.) ما الذي من المحتمل أن يحدث للزغب المحلي؟