Skip to main content
Global

21.E: ولادة النجوم واكتشاف الكواكب خارج المجموعة الشمسية (تمارين)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197163

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

    لمزيد من الاستكشاف

    مقالات

    تشكيل النجوم

    بليز، أو. «عالم من الأقراص». ساينتفيك أمريكان (أكتوبر 2004): 48. على أقراص التراكم والطائرات حول النجوم الشابة والثقوب السوداء.

    كروسويل، كيه. «حزام الغبار المجاور [تاو سيتي].» ساينتفيك أمريكان (يناير 2015): 24. مقدمة قصيرة للملاحظات الحديثة للكواكب وحزام الغبار الواسع.

    فرانك، أ. «صانع النجوم: القصة الجديدة للولادة النجمية». علم الفلك (يوليو 1996): 52.

    جاياواردانا، ر. «التجسس على الحضانات النجمية». علم الفلك (نوفمبر 1998): 62. على أقراص الكواكب الأولية.

    أوديل، سي آر «استكشاف سديم أوريون». السماء والتلسكوب (ديسمبر 1994): 20. مراجعة جيدة مع نتائج Hubble.

    راي، تي. «نوافير الشباب: الأيام الأولى في حياة النجم». ساينتفيك أمريكان (أغسطس 2000): 42. عن التدفقات الخارجة من النجوم الشباب.

    يونغ، E. «غائم مع فرصة النجوم». ساينتفيك أمريكان (فبراير 2010): 34. حول كيفية تحول سحب المادة بين النجوم إلى أنظمة نجمية.

    يونغ، مونيكا «صنع نجوم ضخمة». السماء والتلسكوب (أكتوبر 2015): 24. نماذج وملاحظات حول كيفية تشكل النجوم الأكثر ضخامة.

    الكواكب الخارجية

    بيلينغز، ل. «البحث عن المشتري الأجنبي». ساينتفيك أمريكان (أغسطس 2015): 40-47. السباق لتصوير كواكب جوفيان بالأدوات الحالية ولماذا لا تزال الصورة المباشرة لكوكب أرضي في المستقبل.

    هيلر، ر. «أفضل من الأرض». ساينتفيك أمريكان (يناير 2015): 32-39. ما هي أنواع الكواكب التي قد تكون صالحة للسكن؛ يجب أيضًا مراعاة أقمار الأرض الفائقة وأقمار كوكب جوفيان.

    لافلين، جي. «كيف تخرج العوالم من الفوضى». السماء والتلسكوب (مايو 2013): 26. حول كيفية انتقال الكواكب من الأماكن التي تتشكل فيها في نظام النجوم.

    Marcy، G. «البحث الجديد عن الكواكب البعيدة». علم الفلك (أكتوبر 2006): 30. نظرة عامة موجزة جيدة. (يحتوي العدد نفسه على أطلس بصري مثير قابل للطي للكواكب خارج المجموعة الشمسية، من تلك الحقبة.)

    ريد، ن. «لماذا لم نعثر على أرض أخرى؟» علم الفلك (فبراير 2016): 25. البحث عن كواكب أرضية في المنطقة الصالحة للسكن مع أدلة على الحياة.

    Seager، S. «الكواكب الخارجية في كل مكان.» السماء والتلسكوب (أغسطس 2013): 18. مناقشة ممتازة لبعض الأسئلة الشائعة حول طبيعة وترتيب الكواكب الموجودة هناك.

    سيجر، س. «البحث عن الأرض الخارقة». السماء والتلسكوب (أكتوبر 2010): 30. البحث عن كواكب تصل كتلتها إلى 10 أضعاف كتلة الأرض وما يمكن أن تعلمنا إياه.

    فيلارد، ر. «الصيد من أجل الكواكب الشبيهة بالأرض». علم الفلك (أبريل 2011): 28. كيف نتوقع العثور على الأرض الفائقة وتوصيفها (كواكب أكبر إلى حد ما من كوكبنا) باستخدام أدوات وتقنيات جديدة يمكن أن توضح لنا ماهية الغلاف الجوي الخاص بها.

    مواقع الويب

    استكشاف الكواكب الخارجية: http://planetquest.jpl.nasa.gov/. PlanetQuest (من برنامج Navigator في مختبر الدفع النفاث) هو على الأرجح أفضل موقع للطلاب والمبتدئين، مع مواد تمهيدية ورسوم توضيحية لطيفة؛ يركز في الغالب على أعمال ومهام ناسا.

    الكواكب الخارجية: www.planetary.org/exoplanets /. صفحات الكواكب الخارجية التابعة لجمعية الكواكب مع كتالوج ديناميكي للكواكب الموجودة والتفسيرات الجيدة.

    الكواكب الخارجية: البحث عن كواكب خارج مجموعتنا الشمسية: http://www.iop.org/publications/iop/...age_42551.html. من المعهد البريطاني للفيزياء في عام 2010.

    موسوعة الكواكب خارج المجموعة الشمسية: http://exoplanet.eu/. يحتفظ به جان شنايدر من مرصد باريس، ويحتوي على أكبر كتالوج لاكتشافات الكواكب والمواد الأساسية المفيدة (بعضها أكثر تقنية).

    تشكيل النجوم: https://www.spacetelescope.org/scien...tion_of_stars/. صفحة تكوين النجوم من تلسكوب هابل الفضائي، مع روابط للصور والمعلومات.

    مهمة كيبلر: kepler.nasa.gov/. الموقع العام للتلسكوب الرائع في الفضاء الذي يبحث عن الكواكب باستخدام تقنية العبور وهو أفضل أمل لنا للعثور على كواكب شبيهة بالأرض.

    اكتشاف كوكب بروكسيما سينتوري: http://www.eso.org/public/news/eso1629/.

    تطبيقات

    كوكب خارجي: itunes.apple.com/us/app/exopl... 327702034? طن متري = 8. يتيح لك تصفح الكتالوج المرئي المحدث بانتظام للكواكب الخارجية التي تم العثور عليها حتى الآن.

    رحلة إلى الكواكب الخارجية: itunes.apple.com/us/app/journ... 463532472? طن متري = 8. من إنتاج فريق Scientific American، مع مدخلات من العلماء وفناني الفضاء؛ يقدم معلومات أساسية وجولات بصرية لأنظمة النجوم الأقرب مع الكواكب.

    مقاطع فيديو

    نجم يولد: www.discovery.com/tv-shows/ot... -نجم مولود/. فيديو قناة ديسكفري مع عالمة الفلك ميشيل ثالر (2:25).

    هل نحن وحدنا: حوار مسائي مع قادة بعثة كيبلر: http://www.youtube.com/watch?v=O7ItAXfl0Lw. حلقة نقاش غير تقنية حول نتائج وأفكار كيبلر حول تكوين الكواكب مع بيل بوروكي وناتالي باتالها وجيبور البصري (يديرها أندرو فراكنوي) في جامعة كاليفورنيا، بيركلي (2:07:01).

    العثور على الأرض التالية: أحدث النتائج من Kepler: https://www.youtube.com/watch?v=ZbijeR_AALo. ناتالي باتالها (جامعة ولاية سان خوسيه وناسا أميس) محاضرة عامة في سلسلة محاضرات علم الفلك في وادي السيليكون (1:28:38).

    من المشتري الساخن إلى عوالم صالحة للسكن: vimeo.com/37696087 (الجزء الأول) و vimeo.com/37700700 (الجزء 2). ديبرا فيشر (جامعة ييل) محاضرة عامة في هاواي برعاية مرصد كيك (15:20 الجزء 1، 21:32 الجزء 2).

    ابحث عن الكواكب الخارجية الصالحة للسكن: http://www.youtube.com/watch?v=RLWb_T9yaDU. سارة سيجر (MIT) محاضرة عامة في معهد SETI، مع نتائج كيبلر (1:10:35).

    آفاق كوكبية غريبة: http://www.youtube.com/watch?v=_8ww9eLRSCg. جوش كارتر (CfA) محاضرة عامة في مركز هارفارد للفيزياء الفلكية مع مقدمة ودية للكواكب الخارجية لغير المتخصصين (46:35).

    أنشطة المجموعة التعاونية

    1. مجموعتك عبارة عن لجنة فرعية من العلماء تدرس ما إذا كان أي من «كوكب المشتري الساخن» (الكواكب العملاقة الأقرب إلى نجومها من عطارد إلى الشمس) يمكن أن يعيش عليها أو بالقرب منها. هل يمكنك إيجاد أماكن على هذه الكواكب أو داخلها أو بالقرب منها حيث يمكن أن تتطور الحياة أو قد تستمر فيها بعض أشكال الحياة؟
    2. يترك زوجان ثريان (من خريجي كليتك أو جامعتك ويحبان الأطفال) برنامج علم الفلك بعدة ملايين من الدولارات في وصيتهم، لإنفاقها بأفضل طريقة ممكنة للبحث عن «النجوم الرضع في قسمنا من المجرة». تم تكليف مجموعتك بمهمة تقديم المشورة للعميد حول أفضل طريقة لإنفاق الأموال. ما نوع الأدوات وبرامج البحث التي توصي بها، ولماذا؟
    3. يعتبر بعض الناس اكتشاف أي كواكب (حتى مركبات المشتري الساخنة) حول نجوم أخرى أحد أهم الأحداث في تاريخ البحث الفلكي. لقد فوجئ بعض علماء الفلك بأن الجمهور ليس أكثر حماسًا لاكتشافات الكوكب. أحد الأسباب التي تم اقتراحها لهذا النقص في المفاجأة والإثارة العامة هو أن قصص الخيال العلمي قد أعدتنا منذ فترة طويلة لوجود كواكب حول نجوم أخرى. (وجدت Starship Enterprise في سلسلة Star Trek التلفزيونية في الستينيات بعضًا منها في كل حلقة أسبوعية تقريبًا.) ماذا تعتقد مجموعتك؟ هل تعلم عن اكتشاف الكواكب حول النجوم الأخرى قبل أخذ هذه الدورة؟ هل تعتبرها مثيرة؟ هل فوجئت بسماع ذلك? هل تعتقد أن أفلام وكتب الخيال العلمي أدوات جيدة أو سيئة لتعليم علم الفلك بشكل عام؟
    4. ماذا لو كشفت أجهزة الفضاء المستقبلية عن كوكب خارجي يشبه الأرض يحتوي على كميات كبيرة من الأكسجين والميثان في غلافه الجوي؟ لنفترض أن الكوكب ونجمه على بعد 50 سنة ضوئية. ما الذي تقترح مجموعتك أن يفعله علماء الفلك بعد ذلك؟ ما مقدار الجهد والمال الذي توصي به لمعرفة المزيد عن هذا الكوكب ولماذا؟
    5. ناقش مع مجموعتك السؤال التالي: ما الذي يسهل العثور عليه يدور حول نجم بأدوات لدينا اليوم: كوكب جوفيان أم قرص كوكبي أولي؟ ضع قائمة بالحجج لكل جانب من جوانب هذا السؤال.
    6. (يجب أن يتم هذا النشاط عندما تتمكن مجموعتك من الوصول إلى الإنترنت.) انتقل إلى الصفحة التي تفهرس جميع صور تلسكوب هابل الفضائي التي تم إصدارها علنًا حسب الموضوع: http://hubblesite.org/newscenter/arc... /تصفح/صورة/. ضمن «Star»، انتقل إلى «Protoplanetary Disk» وابحث عن نظام - غير مذكور في هذا الفصل - تحبه مجموعتك، وقم بإعداد تقرير قصير إلى الفصل حول سبب اهتمامك به. ثم، تحت عنوان «Nebula»، انتقل إلى «الانبعاثات» وابحث عن منطقة تكوين النجوم غير المذكورة في هذا الفصل، وقم بإعداد تقرير قصير للصف حول ما تجده مثيرًا للاهتمام حول هذا الموضوع.
    7. هناك موقع «علم المواطن» يسمى Planet Hunters (http://www.planethunters.org/) حيث يمكنك المشاركة في تحديد الكواكب الخارجية من البيانات التي قدمتها كيبلر. يجب على مجموعتك الوصول إلى الموقع والعمل معًا لاستخدامه وتصنيف منحنيين ضوئيين. قم بتقديم تقرير إلى الفصل حول ما قمت به.
    8. تعهد يوري ميلنر، الملياردير الروسي الأمريكي، مؤخرًا بمبلغ 100 مليون دولار لتطوير التكنولوجيا لإرسال العديد من المجسات المصغرة إلى نجم في نظام ألفا سنتوري ثلاثي النجوم (الذي يتضمن Proxima Centauri، أقرب نجم لنا، المعروف الآن أنه يمتلك كوكبًا واحدًا على الأقل). سيتم دفع كل مسبار صغير بواسطة ليزر قوي بسرعة 20٪ من سرعة الضوء، على أمل أن يصل واحد أو أكثر بأمان وأن يكون قادرًا على إرسال معلومات حول شكله هناك. يجب أن تبحث مجموعتك عبر الإنترنت عن مزيد من المعلومات حول هذا المشروع (المسمى «Breakthrough: Starshot») وتناقش ردود أفعالك على هذا المشروع. قدم أسبابًا محددة للحجج الخاصة بك.

    مراجعة الأسئلة

    1. أعط عدة أسباب لكون سحابة أوريون الجزيئية «مختبرًا» مفيدًا لدراسة مراحل تكوين النجوم.
    2. لماذا من المرجح أن يحدث تكوين النجوم في السحب الجزيئية الباردة أكثر من المناطق التي تبلغ فيها درجة حرارة الوسط بين النجوم عدة مئات الآلاف من الدرجات؟
    3. لماذا تعلمنا الكثير عن تكوين النجوم منذ اختراع أجهزة الكشف الحساسة للأشعة تحت الحمراء؟
    4. وصف ما يحدث عندما تتشكل نجمة. ابدأ بنواة كثيفة من المواد في سحابة جزيئية وتتبع التطور حتى الوقت الذي يصل فيه النجم المشكل حديثًا إلى التسلسل الرئيسي.
    5. وصف كيف يمكن لمرحلة نجمة T Tauri في حياة نجم منخفض الكتلة أن تؤدي إلى تكوين جسم Herbig-Haro (H-H).
    6. انظر إلى المراحل الأربع الموضحة في الشكل\(21.1.7\) في القسم 21.1. في أي مرحلة (مراحل) يمكننا رؤية النجم في الضوء المرئي؟ في الأشعة تحت الحمراء؟
    7. يظل المسار التطوري لنجم ذو كتلة شمسية واحدة عموديًا تقريبًا في مخطط H—R لفترة من الوقت (انظر الشكل\(21.2.1\) في القسم 21.2). كيف يتغير لمعانها خلال هذا الوقت؟ درجة حرارته؟ نصف قطرها؟
    8. يولد نجمان أوليان، أحدهما 10 أضعاف كتلة الشمس ونصف كتلة الشمس في نفس الوقت في سحابة جزيئية. أيهما سيصل أولاً إلى مرحلة التسلسل الرئيسية، حيث يكون مستقرًا ويحصل على الطاقة من الاندماج؟
    9. قارن مقياس (حجم) قرص مغبر نموذجي حول نجم مكون بمقياس نظامنا الشمسي.
    10. لماذا من الصعب جدًا رؤية الكواكب حول النجوم الأخرى ومن السهل جدًا رؤيتها حول نجومنا؟
    11. لماذا استغرق الأمر علماء الفلك حتى عام 1995 لاكتشاف أول كوكب خارجي يدور حول نجم آخر مثل الشمس؟
    12. ما أنواع الكواكب التي يمكن اكتشافها بسهولة من خلال قياسات دوبلر؟ عن طريق الترانزيت؟
    13. اذكر ثلاث طرق تم من خلالها اكتشاف أن الكواكب الخارجية التي اكتشفناها مختلفة عن الكواكب في نظامنا الشمسي.
    14. ضع قائمة بأي أوجه تشابه بين الكواكب الخارجية المكتشفة والكواكب في نظامنا الشمسي.
    15. ما هي المراجعات التي أجراها علماء الفلك لنظرية تكوين الكواكب نتيجة لاكتشاف الكواكب الخارجية؟
    16. لماذا تعتبر رؤية المشتري الصغير باستخدام التصوير المباشر أسهل من رؤية المشتري القديم؟

    أسئلة الفكر

    1. تخبرك صديقة لك لم تحقق أداءً جيدًا في فصل علم الفلك أنها تعتقد أن جميع النجوم قديمة ولا يمكن أن يولد أي منها اليوم. ما هي الحجج التي ستستخدمها لإقناعها بأن النجوم تولد في مكان ما في المجرة خلال حياتك؟
    2. تشير الملاحظات إلى أن الأمر يستغرق أكثر من 3 ملايين سنة حتى يبدأ الغبار في التخلص من المناطق الداخلية للأقراص المحيطة بالنجوم الأولية. لنفترض أن هذا هو الحد الأدنى من الوقت المطلوب لتكوين كوكب. هل تتوقع العثور على كوكب حول 10\(M_{\text{Sun}}\) نجوم؟ (راجع الشكل\(21.2.1\) في القسم 21.2.)
    3. لنفترض أنك تريد مراقبة كوكب حول نجم آخر بالتصوير المباشر. هل ستحاول المراقبة في الضوء المرئي أو في الأشعة تحت الحمراء؟ لماذا؟ هل سيكون من الأسهل رؤية الكوكب إذا كان في 1 AU أو 5 AU من نجمه؟
    4. لماذا كانت الكواكب العملاقة القريبة من نجومها أول الكواكب التي تم اكتشافها؟ لماذا لم يتم استخدام نفس التقنية حتى الآن لاكتشاف الكواكب العملاقة على مسافة زحل؟
    5. تتعرض الكواكب الخارجية في المدارات الغريبة لتقلبات كبيرة في درجات الحرارة خلال مداراتها. لنفترض أنه كان عليك التخطيط لمهمة إلى مثل هذا الكوكب. استنادًا إلى قانون كيبلر الثاني، هل يقضي الكوكب مزيدًا من الوقت بالقرب أو بعيدًا عن النجم؟ اشرح.

    اكتشاف نفسك

    1. عندما اكتشف علماء الفلك الكواكب العملاقة الأولى التي مدارها بضعة أيام فقط، لم يعرفوا ما إذا كانت تلك الكواكب غازية وسائلة مثل المشتري أم صخرية مثل عطارد. حسمت ملاحظات HD 209458 هذا السؤال لأن ملاحظات عبور النجم بواسطة هذا الكوكب جعلت من الممكن تحديد نصف قطر الكوكب. استخدم البيانات الواردة في النص لتقدير كثافة هذا الكوكب، ثم استخدم هذه المعلومات لشرح سبب كونه عملاقًا غازيًا.
    2. يحتوي نظام الكواكب الخارجية على كوكبين معروفين. يدور الكوكب X في 290 يومًا ويدور الكوكب Y في 145 يومًا. ما الكوكب الأقرب إلى نجمه المضيف؟ إذا كان للنجم نفس كتلة الشمس، فما المحور شبه الرئيسي لمدارات الكواكب X وY؟
    3. ينص قانون كبلر الثالث على أن الفترة المدارية (بالسنوات) تتناسب مع الجذر التربيعي لمكعب متوسط المسافة (في AU) من الشمس (\(P \propto a^{1.5}\)). بالنسبة لمتوسط المسافات من 0.1 إلى 32 AU، قم بحساب ورسم منحنى يوضح فترة كيبليريان المتوقعة. بالنسبة لكل كوكب في مجموعتنا الشمسية، ابحث عن متوسط المسافة من الشمس في الاتحاد الأفريقي والفترة المدارية بالسنوات وقم برسم هذه البيانات على منحنى كيبليريان النظري.
    4. احسب عمق العبور لنجم قزم M يساوي 0.3 مرة نصف قطر الشمس مع كوكب غازي عملاق بحجم المشتري.
    5. إذا أمكن اكتشاف عمق عبور قدره 0.00001 باستخدام المركبة الفضائية كيبلر، فما أصغر كوكب يمكن اكتشافه حول نجم قزم يبلغ\(R_{\text{sun}}\) طوله 0.3 متر؟
    6. ما نسبة الكواكب الغازية العملاقة التي يبدو أنها تضخمت أنصاف الأقطار؟