20.1: Kati ya Interstellar

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza ni kiasi gani cha interstellar kilichopo katika Njia ya Milky, na ni wiani gani wa kawaida
• Eleza jinsi kati ya interstellar imegawanywa katika vipengele vya gesi na imara

Wanaastronomia wanataja nyenzo zote kati ya nyota kama jambo la interstellar; mkusanyiko mzima wa suala la interstellar huitwa kati ya interstellar (ISM). Vifaa vingine vya interstellar hujilimbikizia kwenye mawingu makubwa, ambayo kila mmoja hujulikana kama nebula (wingi “nebulae,” Kilatini kwa “mawingu”). Nebulae inayojulikana zaidi ni yale ambayo tunaweza kuona inang'aa au kuonyesha mwanga unaoonekana; kuna picha nyingi za hizi katika sura hii.

Mawingu ya interstellar hayaishi kwa maisha ya ulimwengu. Badala yake, wao ni kama mawingu duniani, daima kuhama, kuunganisha na kila mmoja, kukua, au kutawanyika. Baadhi huwa mnene na mkubwa wa kutosha kuanguka chini ya mvuto wao wenyewe, na kutengeneza nyota mpya. Wakati nyota zinakufa, wao, kwa upande wake, hutoa baadhi ya nyenzo zao katika nafasi ya interstellar. Nyenzo hii inaweza kuunda mawingu mapya na kuanza mzunguko tena.

Takriban 99% za nyenzo kati ya nyota ziko katika mfumo wa gesi-yaani lina atomi binafsi au molekuli. Elementi nyingi zaidi katika gesi hii ni hidrojeni na heliamu (ambazo tuliona pia ni elementi nyingi zaidi katika nyota), lakini gesi pia inajumuisha elementi nyingine. Baadhi ya gesi iko katika mfumo wa moleki-mchanganyiko wa atomi. 1% iliyobaki ya vifaa vya interstellar ni chembe imara-waliohifadhiwa yenye atomi nyingi na molekuli zinazoitwa nafaka za interstellar au vumbi vya interstellar (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Nafaka ya kawaida ya vumbi ina msingi wa nyenzo zenye mwamba (silicates) au grafiti iliyozungukwa na vazi la barafu; maji, methane, na amonia pengine ni barafu nyingi zaidi.

Kielelezo Aina\(\PageIndex{1}\) mbalimbali za Mambo ya Interstellar. Nebulae nyekundu katika picha hii ya kuvutia mwanga na mwanga lilio na atomi hidrojeni. Maeneo yenye giza ni mawingu ya vumbi yanayozuia nuru kutoka nyota nyuma yake. Sehemu ya juu ya picha imejaa mwanga wa bluu wa mwanga unaojitokeza kutoka nyota za moto zilizoingia nje kidogo ya wingu kubwa, baridi la vumbi na gesi. Nyota ya ajabu ya Antares inaweza kuonekana kama kiraka kikubwa, nyekundu katika sehemu ya chini kushoto ya picha. Nyota inamwaga baadhi ya angahewa yake ya nje na imezungukwa na wingu la umbo lake lenyewe linaloonyesha nuru nyekundu ya nyota. Nebula nyekundu upande wa kulia wa kati huzunguka sehemu ya nyota Sigma Scorpii. (Kwa upande wa kulia wa Antares, unaweza kuona M4, kikundi cha mbali zaidi cha nyota za zamani sana.)

Ikiwa gesi yote ya interstellar ndani ya Galaxy ilienea vizuri, kutakuwa na atomi moja tu ya gesi kwa cm ³ katika nafasi ya interstellar. (Kwa upande mwingine, hewa katika chumba ambapo wewe ni kusoma kitabu hiki ina takriban 1019 atomi kwa cm3.) Mbegu za vumbi ni mbaya zaidi. Km ³ ya nafasi ingekuwa na mia chache tu kwa maelfu chache nafaka vidogo, kila kawaida chini ya moja kumi elfu ya millimeter katika kipenyo. Nambari hizi ni wastani tu, hata hivyo, kwa sababu gesi na vumbi vinasambazwa kwa njia isiyo ya kawaida na isiyo ya kawaida, kama vile mvuke wa maji katika anga ya dunia mara nyingi hujilimbikizia katika mawingu.

Katika baadhi ya mawingu interstellar, wiani wa gesi na vumbi inaweza kuzidi wastani kwa kiasi kama mara elfu au zaidi, lakini hata wiani huu ni karibu utupu kuliko yoyote tunaweza kufanya duniani. Ili kuonyesha kile tunachomaanisha, hebu fikiria tube ya wima ya hewa inayofikia kutoka chini hadi juu ya anga ya Dunia na sehemu ya msalaba wa mita 1 ya mraba. Sasa hebu tupanue tube ya ukubwa sawa kutoka juu ya angahewa njia yote hadi makali ya ulimwengu unaoonekana—zaidi ya miaka ya nuru bilioni 10 mbali. Muda mrefu ingawa ni, tube ya pili ingekuwa bado ina atomi chache kuliko ile katika anga ya sayari yetu.

Wakati wiani wa suala la interstellar ni mdogo sana, kiasi cha nafasi ambayo suala hilo linapatikana ni kubwa, na hivyo molekuli yake ya jumla ni kubwa. Ili kuona kwa nini, ni lazima tuzingatie kwamba nyota zinachukua sehemu ndogo tu ya kiasi cha Galaxy ya Milky Way. Kwa mfano inachukua nuru takriban sekunde nne tu kusafiri umbali sawa na kipenyo cha Jua, lakini zaidi ya miaka minne kusafiri kutoka Jua hadi nyota iliyo karibu. Japokuwa nafasi kati ya nyota zina watu wachache, kuna nafasi nyingi huko nje!

Wanaastronomia wanakadiria ya kwamba jumla ya masi ya gesi na vumbi katika Galaxy ya Milky Way ni sawa na takriban 15% ya masi zilizomo katika nyota. Hii inamaanisha kuwa wingi wa jambo la interstellar katika Galaxy yetu ni sawa na mara bilioni 10 kiasi cha Jua. Kuna mengi ya malighafi katika Galaxy kutengeneza vizazi vya nyota mpya na sayari (na labda hata wanafunzi wa astronomia).

Mfano\(\PageIndex{1}\): Kukadiria Misa ya Interstellar

Unaweza kufanya makadirio mabaya ya kiasi gani cha molekuli ya interstellar ambayo Galaxy yetu ina na pia ni nyota ngapi mpya zinazoweza kufanywa kutokana na jambo hili la interstellar. Wote unahitaji kujua ni jinsi Galaxy ilivyo kubwa na wiani wa wastani ukitumia formula hii:

\[ \text{total mass } = \text{ volume } \times \text{ density of atoms } \times \text{ mass per atom } \nonumber\]

Unakumbuka kutumia vitengo thabiti-kama vile mita na kilo. Tutafikiri kwamba Galaxy yetu imeumbwa kama silinda; kiasi cha silinda ni sawa na eneo la msingi wake, mara urefu wake.

\[V=\pi R^2h \nonumber\]

\(R\)wapi radius ya silinda na\(h\) ni urefu wake.

Tuseme kwamba wiani wa wastani wa gesi ya hidrojeni katika Galaxy yetu ni atomi moja kwa cm ³. Kila atomu ya hidrojeni ina masi ya kilo 1.7 ^{× 10 -27}. Ikiwa Galaxy ni silinda yenye kipenyo cha miaka 100,000 ya mwanga na urefu wa miaka 300 ya mwanga, ni kiasi gani cha gesi hii? Ni nyota ngapi za nishati ya jua (2.0 × 10 kilo ³⁰) zinaweza kuzalishwa kutoka kwa wingi huu wa gesi ikiwa zote zimegeuka kuwa nyota?

Suluhisho

Kumbuka kwamba 1 mwanga wa mwaka = 9.5 × 10 ¹² km = 9.5 × 10 ¹⁷ cm, hivyo kiasi cha Galaxy ni

\[ V= \pi R^2 h = \pi \left( 50,000 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right)^2 \left( 300 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right) = 2.0×10^{66} \text{ cm}^3 \nonumber\]

Masi ya jumla ni kwa hiyo

\[M=V \times \text{ density of atoms } \times \text{ mass per atom} \nonumber\]

\[2.0 \times 10^{66} \text{ cm}^3 \times \left(1 \text{ atom/cm}^3 \right) \times 1.7 \times 10^{–27} \text{ kg} =3.5 \times 10^{39} \text{ kg} \nonumber\]

Hii inatosha kufanya

\[N= \frac{M}{\left( 2.0 \times 10^{30} \text{ kg} \right)}=1.75 \times 10^9 \nonumber\]

nyota sawa katika molekuli kwa Jua. Hiyo ni takribani nyota bilioni 2.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Unaweza kutumia njia hiyo ili kukadiria wingi wa gesi ya interstellar karibu na Jua. Umbali kutoka Jua hadi nyota nyingine iliyo karibu, Proxima Centauri, ni miaka ya nuru 4.2. Tutaona katika Matter Interstellar karibu na jua kwamba gesi katika maeneo ya jirani ya jua ni chini mnene kuliko wastani, kuhusu atomi 0.1 kwa cm ³. Je, ni jumla ya wingi wa hidrojeni interstellar katika nyanja unaozingatia Jua na kupanua nje ya Proxima Centauri? Hii inalinganishaje na wingi wa Jua? Ni muhimu kukumbuka kwamba kiasi cha nyanja kinahusiana na radius yake:

\[ V=(4/3) \pi R^3 \nonumber\]

Jibu

Kiasi cha nyanja inayoenea kutoka Jua hadi Proxima Centauri ni:

\[V=(4/3) \pi R^3=(4/3) \pi \left( 4.2 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right)^3=2.7×10^{56} \text{ cm}^3 \nonumber\]

Kwa hiyo, wingi wa hidrojeni katika nyanja hii ni:

\[M=V \times \left( 0.1 \text{ atom/cm}^3 \right) \times 1.7 \times 10^{–27} \text{ kg } = 4.5 \times 10^{28} \text{ kg} \nonumber\]

Hii ni wingi\( \left(4.5 \times 10^{28} \text{ kg} \right)/ \left(2.0 \times 10^{30} \text{ kg} \right) = 2.2 /%\) wa Jua tu.

KUMTAJA NEBULAE

Unapoangalia maelezo mafupi ya baadhi ya picha za kuvutia katika sura hii na Kuzaliwa kwa Nyota na Ugunduzi wa Sayari nje ya Mfumo wa Jua, utaona majina mbalimbali yaliyopewa nebulae. Wachache, ambao katika darubini ndogo huonekana kama kitu kinachojulikana, wakati mwingine huitwa jina la viumbe au vitu vinavyofanana. Mifano ni pamoja na Kaa, Tarantula, na Keyhole Nebulae. Lakini wengi wana namba tu ambazo ni entries katika orodha ya vitu astronomical.

Pengine orodha inayojulikana zaidi ya nebulae (pamoja na kundinyota za nyota na galaxi) iliandaliwa na mwanaastronomia wa Kifaransa Charles Messier (1730—1817). Tamaa ya Messier ilikuwa kugundua comets, na kujitolea kwake kwa sababu hii ilimpata jina la utani “Comet Ferret” kutoka kwa Mfalme Louis XV. Wakati comets zinaonekana mara ya kwanza kuelekea Jua, zinaonekana kama viraka vidogo vya mwanga; katika darubini ndogo, ni rahisi kuchanganya na nebulae au kwa makundi ya nyota nyingi mbali sana kiasi kwamba nuru yao yote imechanganywa pamoja. Mara kwa mara, moyo wa Messier uliruka kama alidhani alikuwa amegundua moja ya comets zake za hazina, ili tu kupata kwamba alikuwa “tu” aliona nebula au nguzo.

Kwa kuchanganyikiwa, Messier aliweka orodha ya msimamo na kuonekana kwa vitu zaidi ya 100 ambavyo vinaweza kukosea kwa comets. Kwa ajili yake, orodha hii ilikuwa chombo tu katika kazi muhimu zaidi ya uwindaji wa kimondo. Angeweza kushangaa sana ikiwa alirudi leo kugundua kwamba hakuna mtu anayekumbuka comets zake tena, lakini orodha yake ya “mambo ya fuzzy ambayo si comets” bado hutumiwa sana. Wakati Kielelezo\(\PageIndex{1}\) inahusu M4, inaashiria kuingia nne katika orodha ya Messier.

Orodha ya kina zaidi iliandaliwa chini ya jina la New General Catalogue (NGC) ya Nebulae na Star Clusters mwaka 1888 na John Dreyer, akifanya kazi katika uchunguzi huko Armagh, Ireland. Alitegemea mkusanyiko wake juu ya kazi ya William Herschel na mwanawe John, pamoja na waangalizi wengine wengi waliowafuata. Kwa kuongeza nyimbo mbili zaidi (inayoitwa Catalogs Index), mkusanyiko wa Dreyer hatimaye ulijumuisha vitu 13,000. Wanaastronomia leo bado wanatumia namba zake za NGC wakati wa kutaja makundi mengi ya nebulae na nyota.

Muhtasari

Kuhusu 15% ya suala inayoonekana katika Galaxy ni kwa namna ya gesi na vumbi, hutumika kama malighafi kwa nyota mpya. Takriban 99% ya jambo hili la interstellar liko katika mfumo wa atomi za gesi-mtu binafsi au molekuli. Mambo mengi zaidi katika gesi ya interstellar ni hidrojeni na heliamu. Kuhusu 1% ya suala la interstellar ni kwa namna ya nafaka imara za vumbi vya interstellar.

faharasa

vumbi vya interstellar

nafaka ndogo imara katika nafasi ya interstellar walidhani kuwa na msingi wa vifaa vya rocklike (silicates) au grafiti iliyozungukwa na vazi la ices; maji, methane, na amonia pengine ni ices nyingi zaidi

kati ya stellar (ISM)

(au jambo interstellar) gesi na vumbi kati ya nyota katika galaxy

nebula

wingu la gesi ya interstellar au vumbi; neno hutumiwa mara nyingi kwa mawingu ambayo yanaonekana kuangaza na mwanga unaoonekana au infrared