Skip to main content
Global

25E: مجرة درب التبانة (تمارين)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197225

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

    لمزيد من الاستكشاف

    مقالات

    بليتز، إل. «الجانب المظلم من درب التبانة». ساينتفيك أمريكان (أكتوبر 2011): 36-43. كيف نجد المادة المظلمة وما تخبرنا به عن مجرتنا وقصها المشوه ومجرات الأقمار الصناعية الخاصة بها.

    دفوراك، جيه. «رحلة إلى قلب درب التبانة». علم الفلك (فبراير 2008): 28. قياس النجوم القريبة لتحديد خصائص الثقب الأسود في المركز.

    غالاغر، جيه، ويز، ر.، وبنجامين، آر. «ذا نيو ميلكي واي». علم الفلك (سبتمبر 2011): 26. يسلط الضوء على جميع جوانب درب التبانة بناءً على الملاحظات الأخيرة.

    غولدشتاين، أ. «العثور على مكاننا في درب التبانة». علم الفلك (أغسطس 2015): 50. حول تاريخ الملاحظات التي حددت موقع الشمس في المجرة.

    هاغارد، د.، وباور، جي. «في قلب درب التبانة». السماء والتلسكوب (فبراير 2016): 16. حول ملاحظات نواة المجرة والثقب الأسود الهائل والنجم المغناطيسي هناك.

    إيباتا، آر، وجيبسون، ب. «أشباح المجرات في الماضي». ساينتفيك أمريكان (أبريل 2007): 40. حول تدفقات النجوم في المجرة التي تعد دليلًا على عمليات الاندماج والاصطدام السابقة.

    إيريون، آر. «نهاية ساحقة لمجرتنا». العلوم (7 يناير 2000): 62. حول دور الاندماجات في تطور درب التبانة.

    إيريون، آر. «موجه نحو الثقوب السوداء». سميثسونيان (أبريل 2008). حول كيفية استكشاف علماء الفلك للثقب الأسود الكبير في مركز مجرة درب التبانة.

    Kruesi، L. «كيف رسمنا خريطة درب التبانة.» علم الفلك (أكتوبر 2009): 28.

    Kruesi، L. «ما الذي يكمن في القلب الوحشي لدرب التبانة؟» علم الفلك (أكتوبر 2015): 30. في مركز المجرة والثقب الأسود هناك.

    لافلين وجي وآدامز إف «الاحتفال بالألفية المجرية». علم الفلك (نوفمبر 2001): 39. مستقبل درب التبانة على المدى الطويل في 90 مليار سنة قادمة.

    لوب و أ. و كوكس و تي جيه «تاريخ مجرتنا مع الدمار». علم الفلك (يونيو 2008): 28. يصف الاندماج القادم لدرب التبانة وأندروميدا.

    سبير، م. «اجتياز امتحان نقابة المحامين». علم الفلك (مارس 1999): 46. لا يوجد دليل على أن مجرتنا عبارة عن دوامة محظورة.

    تانر، أ. «رحلة إلى مركز المجرة». السماء والتلسكوب (أبريل 2003): 44. مقدمة لطيفة، مع ملاحظات تشير إلى وجود ثقب أسود.

    تريمبل، في، وباركر، س. «تعرف على درب التبانة». السماء والتلسكوب (يناير 1995): 26. نظرة عامة على جهاز Galaxy الخاص بنا.

    واكر، ب.، وريختر، P. «مجرتنا المتنامية التي تتنفس». ساينتفيك أمريكان (يناير 2004): 38. دليل على أن مجرتنا لا تزال قيد الإنشاء من خلال إضافة الغاز والجيران الأصغر.

    وولر، دبليو «إعادة تصميم درب التبانة». السماء والتلسكوب (سبتمبر 2004): 50. في المسوحات الأخيرة متعددة الأطوال الموجية للمجرة.

    وايت، ك. «درب التبانة من الداخل». علم الفلك (نوفمبر 2001): 58. صورة بانورامية رائعة للمجرة، مع مخططات الباحث والتفسيرات.

    مواقع الويب

    ملاذات السماء المظلمة الدولية: http://darksky.org/idsp/sanctuaries/. قائمة بملاذات السماء المظلمة والحدائق والمحميات.

    درب التبانة متعدد الموجات: http://mwmw.gsfc.nasa.gov/mmw_sci.html. يُظهر موقع ناسا هذا مستوى مجرتنا في مجموعة متنوعة من نطاقات الطول الموجي، ويتضمن مواد أساسية وموارد أخرى.

    مناظرة شابلي-كورتيس في عام 1920: apod.nasa.gov/diamond_jubilee/debate_1920.html. في عام 1920، انخرط علماء الفلك هارلو شابلي وهيبر كورتيس في نقاش تاريخي حول حجم مجرتنا وما إذا كانت المجرات الأخرى موجودة. هنا يمكنك العثور على مواد تاريخية وتعليمية حول النقاش.

    مجموعة مركز غالاكتيك بجامعة كاليفورنيا: http://www.galacticcenter.astro.ucla.edu/. تعرف على المزيد حول عمل أندريا غيز وزملائها في المنطقة الوسطى من مجرة درب التبانة.

    مقاطع فيديو

    كراش أوف ذا تايتنز: http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast55a/. يُظهر فيلم Hubblecast هذا من عام 2012 جاي أندرسون ورولاند فان دير ماريل يشرحان كيف ستصطدم أندروميدا مع درب التبانة في المستقبل البعيد (5:07).

    العشاء في مركز المجرة: https://www.youtube.com/watch?v=UP7ig8Gxftw. مناقشة قصيرة من NASA ScienceCast لملاحظات NuStar للتوهجات من الثقب الأسود المركزي لمجرتنا (3:23).

    ابحث عن ثقب أسود فائق الضخامة: https://www.ted.com/talks/andrea_ghe...ive_black_hole. 2009 حديث TED بقلم أندريا غيز عن البحث عن الثقوب السوداء الهائلة، وخاصة تلك الموجودة في مركز درب التبانة (16:19).

    رحلة إلى مركز المجرة: https://www.youtube.com/watch?v=36xZsgZ0oSo. رحلة صامتة قصيرة إلى مجموعة النجوم بالقرب من مركز المجرة تُظهر حركاتها حول المركز (3:00).

    أنشطة المجموعة التعاونية

    1. تم القبض عليك من قبل كائنات فضائية فضائية تأخذك إلى داخل سحابة معقدة من الغاز بين النجوم والغبار وعدد قليل من النجوم المشكلة حديثًا. للهروب، تحتاج إلى إنشاء خريطة للسحابة. لحسن الحظ، يمتلك الأجانب مرصدًا فلكيًا كاملاً مزودًا بمعدات لقياس جميع نطاقات الطيف الكهرومغناطيسي. باستخدام ما تعلمته في هذا الفصل، اطلب من مجموعتك مناقشة أنواع الخرائط التي ستصنعها للسحابة لرسم مسار الهروب الأكثر فعالية.
    2. يحتوي الرسم التخطيطي الذي صنعه هيرشل لمجرة درب التبانة على حدود خارجية غير منتظمة جدًا (انظر الشكل\(25.1.2\) في القسم 25.1). هل يمكن لمجموعتك التفكير في سبب ذلك؟ كيف قام هيرشل ببناء خريطته؟
    3. لنفترض أنه بالنسبة للاختبار النهائي في هذه الدورة، يتم تخصيص وقت لمجموعتك بالتلسكوب لمراقبة النجم الذي اختاره لك أستاذك. يخبرك الأستاذ بموقع النجم في السماء (صعوده وانحداره الأيمن) ولكن لا شيء آخر. يمكنك تقديم أي ملاحظات ترغب فيها. كيف يمكنك تحديد ما إذا كان النجم عضوًا في السكان الأول أو السكان الثاني؟
    4. يأتي وجود المادة المظلمة بمثابة مفاجأة كبيرة، وتبقى طبيعتها لغزًا اليوم. في يوم من الأيام، سيعرف علماء الفلك الكثير عنها (يمكنك معرفة المزيد عن النتائج الحالية في تطور وتوزيع المجرات). هل يمكن لمجموعتك إعداد قائمة بالملاحظات الفلكية السابقة التي بدأت كمفاجأة وغموض، ولكن انتهى بها الأمر (بمزيد من الملاحظات) كأجزاء مفهومة جيدًا من الكتب المدرسية التمهيدية؟
    5. كتب الفيزيائي غريغوري بينفورد سلسلة من روايات الخيال العلمي التي تدور أحداثها بالقرب من مركز مجرة درب التبانة في المستقبل البعيد. لنفترض أن مجموعتك كانت تكتب مثل هذه القصة. ضع قائمة بالطرق التي تختلف بها البيئة القريبة من مركز المجرة عن البيئة في «ضواحي المجرة»، حيث تقع الشمس. هل ستواجه الحياة كما نعرفها وقتًا أسهل أو أصعب على البقاء على الكواكب التي تدور حول النجوم بالقرب من المركز (ولماذا)؟
    6. في هذه الأيام، في معظم المناطق الحضرية، تغمر أضواء المدينة تمامًا الضوء الخافت لمجرة درب التبانة في سمائنا. اطلب من كل عضو في مجموعتك استطلاع رأي من 5 إلى 10 أصدقاء أو أقارب (يمكنك الانتشار في الحرم الجامعي للتحقيق أو استخدام وسائل التواصل الاجتماعي أو الهاتف)، وشرح ماهية درب التبانة ثم السؤال عما إذا كانوا قد رأوها. اسأل أيضًا عن عمرهم. قم بالإبلاغ إلى مجموعتك وناقش ردود أفعالك على الاستطلاع. هل هناك أي علاقة بين عمر الشخص وما إذا كان قد رأى درب التبانة؟ ما مدى أهمية ألا يتمكن العديد من الأطفال الذين يكبرون على الأرض اليوم (أو نادرًا) من رؤية مجرتنا المنزلية في السماء؟

    مراجعة الأسئلة

    1. اشرح لماذا نرى درب التبانة كشريط خافت من الضوء يمتد عبر السماء.
    2. اشرح أين تتوقع أن تجد في المجرة الحلزونية مجموعات كروية وغيوم جزيئية وهيدروجين ذري.
    3. وصف العديد من الخصائص التي تميز نجوم المجموعة الأولى عن نجوم المجموعة الثانية.
    4. اشرح باختصار الأجزاء الرئيسية من مجرتنا.
    5. وصف الدليل الذي يشير إلى أن الثقب الأسود قد يكون في مركز مجرتنا.
    6. اشرح سبب ارتباط وفرة العناصر الثقيلة في النجوم بمواقعها في المجرة.
    7. ماذا سيكون المستقبل طويل المدى لمجرتنا؟

    أسئلة الفكر

    1. لنفترض أن درب التبانة كان نطاقًا من الضوء يمتد فقط في منتصف الطريق حول السماء (أي في نصف دائرة). ما الذي ستستنتجه إذن بشأن موقع الشمس في المجرة؟ أعط المنطق الخاص بك.
    2. لنفترض أن شخصًا ما اقترح أنه بدلاً من استدعاء المادة المظلمة لشرح السرعات المدارية المتزايدة للنجوم خارج مدار الشمس، يمكن حل المشكلة بافتراض أن الثقب الأسود المركزي لمجرة درب التبانة كان أكثر ضخامة بكثير. هل تؤدي مجرد زيادة الكتلة المفترضة للثقب الأسود المركزي فائق الكتلة في درب التبانة إلى حل مشكلة السرعات المدارية العالية بشكل غير متوقع في المجرة بشكل صحيح؟ لماذا أو لماذا لا؟
    3. تدور المجموعات الكروية حول المجرة في مدارات بيضاوية للغاية. أين تتوقع أن تقضي المجموعات معظم وقتها؟ (فكر في قوانين كيبلر.) في أي وقت، هل تتوقع أن تتحرك معظم المجموعات الكروية بسرعات عالية أو منخفضة فيما يتعلق بمركز المجرة؟ لماذا؟
    4. استخدم Shapley مواقع العناقيد الكروية لتحديد موقع مركز المجرة. هل كان بإمكانه استخدام مجموعات مفتوحة؟ لماذا أو لماذا لا؟
    5. ضع في اعتبارك الأنواع الخمسة التالية من الكائنات: الكتلة المفتوحة، والسحابة الجزيئية العملاقة، والكتل الكروي، ومجموعة النجوم O و B، والسدم الكوكبية.
      1. والتي تحدث فقط في الأذرع الحلزونية؟
      2. والتي تحدث فقط في أجزاء المجرة بخلاف الأذرع الحلزونية؟
      3. والتي يعتقد أنها صغيرة جدًا؟
      4. والتي يعتقد أنها قديمة جدًا؟
      5. التي لديها أهم النجوم؟
    6. المجرة القزمة في القوس هي الأقرب إلى درب التبانة، ومع ذلك تم اكتشافها فقط في عام 1994. هل يمكنك التفكير في سبب عدم اكتشافه في وقت سابق؟ (تلميح: فكر في الأشياء الأخرى الموجودة في كوكبة هذه المجموعة.)
    7. لنفترض أن ثلاثة نجوم تقع في قرص المجرة على مسافات 20,000 سنة ضوئية و 25,000 سنة ضوئية و 30,000 سنة ضوئية من مركز المجرة، ولنفترض أن الثلاثة الآن مصطفة بطريقة تجعل من الممكن رسم خط مستقيم من خلالها إلى مركز المجرة. كيف ستتغير المواضع النسبية لهذه النجوم الثلاثة مع مرور الوقت؟ افترض أن مداراتها كلها دائرية وتقع في مستوى القرص.
    8. لماذا يحدث تكوين النجوم بشكل أساسي في قرص المجرة؟
    9. أين تتوقع أن تجد المستعرات الأعظمية من النوع الثاني في المجرة، وهي انفجارات النجوم الضخمة التي تمر بحياتها بسرعة كبيرة؟ أين تتوقع أن تجد المستعرات الأعظمية من النوع الأول، والتي تتضمن انفجارات الأقزام البيضاء؟
    10. لنفترض أن النجوم تطورت دون أن تفقد كتلتها، وأنه بمجرد دمج المادة في النجم، بقيت هناك إلى الأبد. كيف سيكون مظهر المجرة مختلفًا عما هو عليه الآن؟ هل سيكون هناك نجوم من فئة السكان الأول والسكان الثاني؟ ما هي الاختلافات الأخرى التي ستكون هناك؟

    اكتشاف نفسك

    1. افترض أن الشمس تدور حول مركز المجرة بسرعة 220 كم/ثانية ومسافة 26000 سنة ضوئية من المركز.
      1. احسب محيط مدار الشمس، بافتراض أنه دائري تقريبًا. (تذكر أن محيط الدائرة يُعطى بـ 2R، حيث R هو نصف قطر الدائرة. تأكد من استخدام وحدات متسقة. يمكن العثور على التحويل من السنوات الضوئية إلى كم/ثانية في آلة حاسبة أو ملحق عبر الإنترنت، أو يمكنك حسابه بنفسك: تبلغ سرعة الضوء 300000 كم/ثانية، ويمكنك تحديد عدد الثواني في السنة.)
      2. احسب فترة الشمس، «السنة المجرية». مرة أخرى، كن حذرًا مع الوحدات. هل تتفق مع الرقم الذي قدمناه أعلاه؟
    2. تدور الشمس حول مركز المجرة في 225 مليون سنة على مسافة 26000 سنة ضوئية. إذا\[a^3= \left( M_1 + M_2 \right) \times P^2 \nonumber\] كان\(a\) المحور شبه الرئيسي\(P\) هو الفترة المدارية، فما كتلة المجرة داخل مدار الشمس؟
    3. لنفترض أن الشمس تدور بعيدًا قليلاً، لكن كتلة المجرة داخل مدارها ظلت كما هي كما حسبناها في تمرين «الشكل لنفسك» 2. ماذا ستكون فترتها على مسافة 30,000 سنة ضوئية؟
    4. قلنا أن المجرة تدور بشكل مختلف؛ أي أن النجوم في الأجزاء الداخلية تكمل مدارًا كاملاً بزاوية 360 درجة حول مركز المجرة بسرعة أكبر من النجوم البعيدة. استخدم قانون كيبلر الثالث والكتلة التي اشتقناها في تمرين Figging for Yourself 2 لحساب فترة النجم الذي يبعد 5000 سنة ضوئية فقط عن المركز. الآن قم بنفس الحساب لمجموعة كروية على مسافة 50000 سنة ضوئية. لنفترض أن الشمس وهذا النجم والكتلة الكروية كلها تقع على خط مستقيم عبر مركز المجرة. أين ستكون بالنسبة لبعضها البعض بعد أن تكمل الشمس رحلة كاملة حول مركز المجرة؟ (افترض أن كل الكتلة في المجرة تتركز في مركزها.)
    5. إذا كان عمر نظامنا الشمسي 4.6 مليار سنة، فكم عدد سنوات المجرة التي مر عليها كوكب الأرض؟
    6. لنفترض أن متوسط كتلة نجم في المجرة يساوي ثلث الكتلة الشمسية. استخدم قيمة كتلة المجرة التي قمنا بحسابها في تمرين «الشكل بنفسك» 2، وقم بتقدير عدد النجوم في مجرة درب التبانة. أعط بعض الأسباب التي تجعل من المعقول افتراض أن كتلة النجم المتوسط أقل من كتلة الشمس.
    7. كان الدليل الأول على أن المجرة تحتوي على الكثير من المادة المظلمة هو ملاحظة أن السرعات المدارية للنجوم لم تتناقص مع زيادة المسافة من مركز المجرة. قم بإنشاء منحنى دوران للنظام الشمسي باستخدام السرعات المدارية للكواكب، والتي يمكن العثور عليها في الملحق F. كيف يختلف هذا المنحنى عن منحنى الدوران للمجرة؟ ماذا يخبرك عن مكان تركيز معظم الكتلة في النظام الشمسي؟
    8. أفضل دليل على وجود ثقب أسود في مركز المجرة يأتي أيضًا من تطبيق قانون كيبلر الثالث. لنفترض أن نجمًا على مسافة ٢٠ ساعة ضوئية من مركز المجرة تبلغ سرعته المدارية ٦٢٠٠ كم/ثانية، فما مقدار الكتلة التي يجب أن تقع داخل مداره؟
    9. الخطوة التالية في تحديد ما إذا كان الكائن في تمرين Figging for Yourself 8 هو ثقب أسود هي تقدير كثافة هذه الكتلة. افترض أن كل الكتلة منتشرة بشكل موحد في جميع أنحاء كرة نصف قطرها 20 ساعة ضوئية. ما الكثافة بالكيلو جرام/كم 3؟ (تذكر أن حجم الكرة يُعطى بـ\(V= \frac{4}{3} \pi R^3 \).) اشرح لماذا قد تكون الكثافة أعلى من القيمة التي قمت بحسابها. كيف تقارن هذه الكثافة بكثافة الشمس أو الأشياء الأخرى التي تحدثنا عنها في هذا الكتاب؟
    10. لنفترض أن مجرة القوس القزم تندمج تمامًا مع درب التبانة وتضيف 150,000 نجمة إليها. قدِّر النسبة المئوية للتغير في كتلة درب التبانة. هل ستكون هذه الكتلة كافية للتأثير على مدار الشمس حول مركز المجرة؟ افترض أن جميع نجوم مجرة القوس تنتهي في الانتفاخ النووي لمجرة درب التبانة واشرح إجابتك.