22.2: مجموعات النجوم

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197840

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

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

اشرح كيف تساعدنا مجموعات النجوم على فهم مراحل تطور النجوم
قم بإدراج الأنواع المختلفة من مجموعات النجوم ووصف كيفية اختلافها في عدد النجوم والبنية والعمر
اشرح سبب اختلاف التركيب الكيميائي للمجموعات الكروية عن تلك الخاصة بالمجموعات المفتوحة

يعتمد الوصف السابق للتطور النجمي على الحسابات. ومع ذلك، لا يوجد نجم يكمل عمر التسلسل الرئيسي أو تطوره إلى عملاق أحمر بسرعة كافية حتى نتمكن من ملاحظة هذه التغييرات الهيكلية فور حدوثها. لحسن الحظ، زودتنا الطبيعة بطريقة غير مباشرة لاختبار حساباتنا.

بدلاً من مراقبة تطور نجمة واحدة، يمكننا النظر إلى مجموعة أو مجموعة من النجوم. نحن نبحث عن مجموعة من النجوم القريبة جدًا من بعضها البعض في الفضاء، وتتماسك معًا بواسطة الجاذبية، وغالبًا ما تتحرك حول مركز مشترك. ثم من المعقول افتراض أن النجوم الفردية في المجموعة تشكلت جميعها في نفس الوقت تقريبًا، من نفس السحابة، وبنفس التركيبة. نتوقع أن تختلف هذه النجوم فقط في الكتلة. وتحدد جماهيرهم مدى السرعة التي يمرون بها في كل مرحلة من مراحل حياتهم.

نظرًا لأن النجوم ذات الكتل الأعلى تتطور بسرعة أكبر، يمكننا العثور على مجموعات أكملت فيها النجوم الضخمة بالفعل مرحلة التسلسل الرئيسي للتطور وتصبح عمالقة حمراء، في حين أن النجوم ذات الكتلة المنخفضة في نفس الكتلة لا تزال في التسلسل الرئيسي، أو حتى - إذا كانت الكتلة صغيرة جدًا - تمر بمرحلة ما قبل- التسلسل الرئيسي لانقباض الجاذبية. يمكننا أن نرى العديد من مراحل التطور النجمي بين أعضاء مجموعة واحدة، ويمكننا أن نرى ما إذا كانت نماذجنا يمكن أن تفسر لماذا تبدو مخططات H—R للمجموعات من مختلف الأعمار بالطريقة التي تبدو بها.

الأنواع الثلاثة الأساسية من المجموعات التي اكتشفها علماء الفلك هي المجموعات الكروية والعناقيد المفتوحة والارتباطات النجمية. يتم تلخيص خصائصها في الجدول\(\PageIndex{1}\). كما سنرى في القسم التالي من هذا الفصل، تحتوي المجموعات الكروية على نجوم قديمة جدًا فقط، بينما تحتوي المجموعات والجمعيات المفتوحة على نجوم شابة.

الجدول\(\PageIndex{1}\): خصائص المجموعات النجمية
صفة	مجموعات كروية	مجموعات مفتوحة	الجمعيات
رقم في المجرة	150	الآلاف	الآلاف
الموقع في المجرة	الهالة والانتفاخ المركزي	القرص (والأذرع الحلزونية)	أذرع لولبية
القطر (بالسنوات الضوئية)	50—450	<30	100-500
ماس إم صن	10 ⁴ —10 ⁶	10 ² —10 ³	10 ² —10 ³
عدد النجوم	10 ⁴ —10 ⁶	50—1000	10 ² —10 ⁴
لون ألمع النجوم	أحمر	أحمر أو أزرق	أزرق
لمعان الكتلة (L Sun)	10 ⁴ —10 ⁶	10 ² —10 ⁶	10 ⁴ —10 ⁷
الأعمار النموذجية	مليارات السنين	بضع مئات من ملايين السنين، في حالة التجمعات الكبيرة بشكل غير عادي، لأكثر من مليار سنة	ما يصل إلى حوالي 10 ^{- 7} سنوات

مجموعات كروية

تم إعطاء المجموعات الكروية هذا الاسم لأنها أنظمة دائرية متماثلة تقريبًا من مئات الآلاف من النجوم. أكبر مجموعة كروية في مجرتنا هي أوميغا سنتوري، التي تبعد حوالي 16000 سنة ضوئية وتحتوي على عدة ملايين من النجوم (الشكل\(\PageIndex{2}\)). لاحظ أن النجوم الأكثر سطوعًا في هذه المجموعة، وهي عمالقة حمراء أكملت بالفعل مرحلة التسلسل الرئيسي لتطورها، هي حمراء برتقالية اللون. تبلغ درجات حرارة سطح هذه النجوم النموذجية حوالي 4000 كلفن، كما سنرى، تعد المجموعات الكروية من بين أقدم أجزاء مجرة درب التبانة.

بديل — الشكل\(\PageIndex{1}\) أوميغا سنتوري. (أ) تقع أوميغا سنتوري على بعد حوالي 16000 سنة ضوئية، وهي الكتلة الكروية الأكبر في مجرتنا. يحتوي على عدة ملايين من النجوم. (ب) تم التقاط هذه الصورة بواسطة تلسكوب هابل الفضائي، ويتم تكبيرها بالقرب من مركز أوميغا سنتوري. يبلغ عرض الصورة حوالي 6.3 سنة ضوئية. النجوم الأكثر عددًا في الصورة، والتي تكون ذات لون أصفر-أبيض، هي نجوم التسلسل الرئيسي المشابهة لشمسنا. النجوم الأكثر سطوعًا هي عمالقة حمراء بدأت في استنفاد وقود الهيدروجين وتوسعت إلى حوالي 100 ضعف قطر شمسنا. بدأت النجوم الزرقاء في دمج الهيليوم.

كيف سيكون شكل العيش داخل عنقود كروي؟ في المناطق الوسطى الكثيفة، ستكون النجوم أقرب إلى بعضها بمليون مرة تقريبًا مما هي عليه في منطقتنا. إذا كانت الأرض تدور حول أحد النجوم الداخلية في عنقود كروي، فستكون أقرب النجوم على بعد أشهر ضوئية، وليس سنوات ضوئية. ستظل تظهر كنقاط ضوئية، لكنها ستكون أكثر إشراقًا من أي من النجوم التي نراها في سمائنا. ربما يكون من الصعب رؤية درب التبانة من خلال الضباب الساطع لضوء النجوم الناتج عن الكتلة.

هناك حوالي 150 مجموعة كروية معروفة في مجرتنا. يوجد معظمها في هالة كروية (أو سحابة) تحيط بالقرص المسطح الذي تشكله غالبية نجوم المجرة. جميع المجموعات الكروية بعيدة جدًا عن الشمس، وبعضها موجود على مسافات 60،000 سنة ضوئية أو أكثر من القرص الرئيسي لدرب التبانة. تتراوح أقطار مجموعات النجوم الكروية من 50 سنة ضوئية إلى أكثر من 450 سنة ضوئية.

مجموعات مفتوحة

توجد مجموعات مفتوحة في قرص المجرة. لديهم مجموعة من الأعمار، بعضها قديم مثل شمسنا أو حتى أكبر منها. لا تزال أصغر المجموعات المفتوحة مرتبطة بالمادة بين النجوم التي تشكلت منها. المجموعات المفتوحة أصغر من المجموعات الكروية، وعادة ما تكون أقطارها أقل من 30 سنة ضوئية، وتحتوي عادةً على عشرات إلى عدة مئات من النجوم (الشكل\(\PageIndex{3}\)). عادةً ما تظهر النجوم في المجموعات المفتوحة منفصلة جيدًا عن بعضها البعض، حتى في المناطق الوسطى، وهو ما يفسر سبب تسميتها «مفتوحة». تحتوي مجرتنا على آلاف المجموعات المفتوحة، ولكن لا يمكننا رؤية سوى جزء صغير منها. يعمل الغبار بين النجوم، الذي يتركز أيضًا في القرص، على تعتيم ضوء المجموعات البعيدة لدرجة أنها لا يمكن اكتشافها.

على الرغم من أن النجوم الفردية في الكتلة المفتوحة يمكنها البقاء على قيد الحياة لمليارات السنين، إلا أنها عادة ما تظل معًا كمجموعة لبضعة ملايين من السنين فقط، أو على الأكثر، بضع مئات من ملايين السنين. هناك عدة أسباب لذلك. في المجموعات الصغيرة المفتوحة، قد يكون متوسط سرعة النجوم الأعضاء داخل الكتلة أعلى من سرعة هروب الكتلة، ¹ وسوف «تتبخر» النجوم تدريجيًا من الكتلة. قد تؤدي اللقاءات القريبة للنجوم الأعضاء أيضًا إلى زيادة سرعة أحد الأعضاء بما يتجاوز سرعة الهروب. كل بضع مئات من ملايين السنين أو نحو ذلك، قد تواجه الكتلة عن قرب سحابة جزيئية عملاقة، وقد تؤدي قوة الجاذبية التي تمارسها السحابة إلى تمزيق الكتلة.

يمكن رؤية العديد من المجموعات المفتوحة للعين دون مساعدة. أشهرها الثريا (الشكل\(20.3.5\) في القسم 20.3)، والتي تظهر كمجموعة صغيرة من ستة نجوم (يمكن لبعض الناس رؤية أكثر من ستة، وتسمى الثريا أحيانًا بالأخوات السبع). تم ترتيب هذه المجموعة على شكل ملعقة غمس صغيرة ويمكن رؤيتها في كوكبة الثور. يُظهر زوج جيد من المناظير عشرات النجوم في الكتلة، ويكشف التلسكوب عن المئات. (شركة سيارات، سوبارو، تستمد اسمها من المصطلح الياباني لهذه المجموعة؛ يمكنك رؤية مجموعة النجوم على شعار سوبارو.)

The Hyades هي مجموعة مفتوحة شهيرة أخرى في برج الثور. بالعين المجردة، تظهر على شكل مجموعة من النجوم الخافتة على شكل حرف V تشير إلى وجه الثور. تُظهر التلسكوبات أن Hyades تحتوي بالفعل على أكثر من 200 نجمة.

جمعيات ستيلر

الرابطة هي مجموعة من النجوم الصغيرة جدًا، تحتوي عادةً على 5 إلى 50 نجمًا ساخنًا وساطعًا O و B منتشرة في منطقة من الفضاء يتراوح قطرها بين 100 و 500 سنة ضوئية. على سبيل المثال، تشكل معظم النجوم في كوكبة أوريون واحدة من أقرب الجمعيات النجمية. تحتوي الجمعيات أيضًا على مئات الآلاف من النجوم منخفضة الكتلة، لكنها أكثر خفوتًا وأقل وضوحًا. يشير وجود نجوم ساخنة ومضيئة حقًا إلى أن تكوين النجوم في الرابطة قد حدث في المليون سنة الماضية أو نحو ذلك. نظرًا لأن نجوم O يمضون حياتهم بأكملها في حوالي مليون عام فقط، فلن يظلوا موجودين ما لم يحدث تكوين النجوم مؤخرًا. لذلك ليس من المستغرب وجود روابط في المناطق الغنية بالغاز والغبار اللازمين لتكوين نجوم جديدة. إنه مثل مبنى جديد لا يزال محاطًا ببعض مواد البناء المستخدمة في بنائه ولا تزال المناظر الطبيعية تظهر عليها علامات البناء. من ناحية أخرى، نظرًا لأن الارتباطات، مثل التجمعات المفتوحة العادية، تكمن في مناطق تحتلها مادة مغبرة بين النجوم، فإن الكثير منها مخفي عن وجهة نظرنا.

المفاهيم الأساسية والملخص

توفر مجموعات النجوم أحد أفضل الاختبارات لحساباتنا لما يحدث مع تقدم النجوم في العمر. تم تشكيل النجوم في مجموعة معينة في نفس الوقت تقريبًا ولها نفس التكوين، لذلك تختلف بشكل أساسي في الكتلة، وبالتالي في مرحلة حياتها. هناك ثلاثة أنواع من مجموعات النجوم: الكروية والمفتوحة والجمعيات. تحتوي العناقيد الكروية على أقطار 50-450 سنة ضوئية، وتحتوي على مئات الآلاف من النجوم، ويتم توزيعها في هالة حول المجرة. تحتوي المجموعات المفتوحة عادةً على مئات النجوم، وتقع في مستوى المجرة، ولها أقطار أقل من 30 سنة ضوئية. توجد الجمعيات في مناطق الغاز والغبار وتحتوي على نجوم صغار للغاية.

الحواشي

¹ سرعة الهروب هي السرعة اللازمة للتغلب على جاذبية كائن أو مجموعة من الأشياء. على سبيل المثال، يجب أن تنتقل الصواريخ التي نرسلها من الأرض بشكل أسرع من سرعة الهروب لكوكبنا حتى تتمكن من الوصول إلى عوالم أخرى.

مسرد المصطلحات

جمعية: مجموعة فضفاضة من النجوم الشابة التي تشير أنواعها الطيفية وحركاتها ومواقعها في السماء إلى أصل مشترك

عنقود كروي: واحدة من حوالي 150 مجموعة نجمية كروية كبيرة (تحتوي كل منها على مئات الآلاف من النجوم) التي تشكل هالة كروية حول مركز مجرتنا

عنقود مفتوح: مجموعة فضفاضة نسبيًا من النجوم، تحتوي على ما بين بضع عشرات إلى بضعة آلاف من الأعضاء، تقع في الأذرع الحلزونية أو قرص مجرتنا؛ يشار إليها أحيانًا باسم عنقود المجرة