هناك شيء عنهم يثير اهتمامنا جميعًا. يمكن ربط العديد من الديانات الإنسانية بعبادة هذه الشموع السماوية. بالنسبة للمصريين ، كانت الشمس تمثل الله رع ، الذي قهر الليل كل يوم وجلب النور والدفء إلى الأراضي. بالنسبة لليونانيين ، كان أبولو هو الذي قاد مركبته المشتعلة عبر السماء ، مضاءًا العالم. حتى في المسيحية ، يمكن القول أن يسوع يمثل الشمس بالنظر إلى الخصائص المدهشة التي تحملها قصته مع المعتقدات والأشكال الفلكية القديمة. في الواقع ، يتبع العديد من المعتقدات القديمة مسارًا مشابهًا ، وكلها تربط أصولها بأصول عبادة الشمس والنجوم.
ازدهرت البشرية بعيدًا عن النجوم في سماء الليل لأنها أدركت وجود ارتباط في النمط الذي مثلت فيه تشكيلات النجوم المعينة (المعروفة باسم الأبراج) أوقاتًا محددة في الدورة السنوية. أحدها يعني أنه سيصبح أكثر دفئًا قريبًا ، مما أدى إلى زراعة الطعام. تنبأ الأبراج الأخرى بقدوم أ
فترة أكثر برودة ، لذلك تمكنت من البدء في تخزين الطعام وجمع الحطب. بالمضي قدمًا في رحلة الإنسانية ، أصبحت النجوم وسيلة للتنقل. كان الإبحار بجانب النجوم هو الطريق للتنقل ، ونحن مدينون باستكشافنا المبكر لفهمنا للأبراج. بالنسبة للعديد من عشرات الآلاف من السنين التي حدقت بها عين الإنسان نحو السماء ، لم يكن حتى وقت قريب نسبيًا إلا أننا بدأنا نفهم تمامًا ما هي النجوم بالفعل ، ومن أين أتوا ، وكيف عاشوا وماتوا. هذا ما سنناقشه في هذه المقالة. تعال معي بينما نغامر في أعماق الكون ونشهد أن الفيزياء تكتب بشكل كبير ، حيث أغطي كيف يولد النجم ، ويعيش ، ويموت في النهاية.
نبدأ رحلتنا بالسفر إلى الكون بحثًا عن شيء خاص. نحن نبحث عن هيكل فريد حيث توجد كل من الظروف والمكونات الصحيحة. نحن نبحث عن ما يسميه الفلكي "سديم الظلام". أنا متأكد من أنك سمعت عن السدم من قبل ، ولا شك أنك رأيتهم. العديد من الصور المدهشة التي حصل عليها تلسكوب هابل الفضائي هي من السحب الغازية الجميلة المتوهجة وسط خلفية مليارات النجوم. تتراوح ألوانها من الأحمر الداكن إلى الأزرق النابض بالحياة وحتى بعض الخضر الغريبة. هذا ليس نوع السديم الذي نبحث عنه رغم ذلك. السديم الذي نحتاجه داكن ، معتم ، وبارد جدًا.
قد تتساءل عن نفسك ، "لماذا نبحث عن شيء مظلم وبارد عندما تكون النجوم مشرقة وساخنة؟"
في الواقع ، هذا شيء يبدو محيرًا في البداية. لماذا يجب أن يكون شيء باردًا أولاً قبل أن يصبح ساخنًا للغاية؟ أولاً ، يجب أن نغطي شيئًا أوليًا حول ما نسميه الوسيط بين النجوم (ISM) ، أو المسافة بين النجوم. المساحة ليست فارغة كما يوحي اسمها. تحتوي المساحة على كل من الغاز والغبار. الغاز الذي نشير إليه بشكل رئيسي هو الهيدروجين ، العنصر الأكثر وفرة في الكون. نظرًا لأن الكون ليس متجانسًا (نفس كثافة الغاز والغبار على كل متر مكعب) ، فهناك جيوب من المساحة تحتوي على غاز وغبار أكثر من غيرها. هذا يتسبب في الجاذبية للتعامل مع هذه الجيوب لتتحد وتشكل ما نراه سدم. تدخل العديد من الأشياء في صنع هذه السدم المختلفة ، لكن السديم الذي نبحث عنه ، يمتلك سديمًا داكنًا ، له خصائص خاصة جدًا. الآن ، دعونا نغوص في واحدة من هذه السدم المظلمة ونرى ما يحدث.
بينما ننزل من خلال الطبقات الخارجية لهذا السديم ، نلاحظ أن درجة حرارة الغاز والغبار منخفضة للغاية. في بعض السدم ، تكون درجات الحرارة شديدة الحرارة. كلما زاد عدد الجسيمات التي تصطدم ببعضها البعض ، متحمسًا لامتصاص وانبعاث الإشعاع الخارجي والداخلي ، يعني ارتفاع درجات الحرارة. ولكن في هذا السديم المظلم ، يحدث العكس. درجات الحرارة تتناقص أكثر في السحابة التي نحصل عليها. السبب في أن هذه السدم المظلمة لها خصائص محددة تعمل على إنشاء حضانة نجرية رائعة يجب أن تتعامل مع الخصائص الأساسية للسديم ونوع المنطقة التي توجد فيها السحابة ، والتي لديها بعض المفاهيم الصعبة المرتبطة بها والتي لن أوضحها بالكامل هنا. وهي تشمل المنطقة التي تتكون فيها السحب الجزيئية التي تسمى مناطق الهيدروجين المحايدة ، وخصائص هذه المناطق يجب أن تتعامل مع قيم دوران الإلكترون ، إلى جانب تفاعلات المجال المغناطيسي التي تؤثر على الإلكترونات المذكورة. السمات التي سأغطيها هي ما يسمح بأن يكون هذا السديم الناضج مهيأ لتكوين النجوم.
وباستثناء العلم المعقد وراء ما يساعد في تكوين هذه السدم ، يمكننا أن نبدأ في معالجة السؤال الأول لماذا يجب أن نصبح أكثر برودة للحصول على أكثر سخونة. يأتي الجواب إلى الجاذبية. عندما يتم تسخين الجسيمات ، أو إثارة ، تتحرك بسرعة أكبر. ستحتوي السحابة ذات الطاقة الكافية على الكثير من الزخم بين كل من جزيئات الغبار والغاز حتى يحدث أي نوع من التكوينات. كما هو الحال ، إذا كانت حبيبات الغبار وذرات الغاز تتحرك بسرعة كبيرة ، فسترتد ببساطة عن بعضها البعض أو ستطلق النار على بعضها البعض ، ولن تحقق أي نوع من الروابط. بدون هذا التفاعل ، لا يمكنك أبدًا الحصول على نجمة. ومع ذلك ، إذا كانت درجات الحرارة باردة بما فيه الكفاية ، فإن جزيئات الغاز والغبار تتحرك ببطء شديد بحيث تسمح جاذبيتها المتبادلة لها بالبدء في "الالتصاق" معًا. هذه العملية هي التي تسمح ببدء تشكيل البروستار.
بشكل عام ، ما يوفر الطاقة للسماح بحركة الجسيمات بشكل أسرع في هذه السحب الجزيئية هو الإشعاع. بالطبع ، هناك إشعاع قادم من جميع الاتجاهات في جميع الأوقات في الكون. كما نرى مع السدم الأخرى ، فهي تتوهج بالطاقة والنجوم لا تولد وسط هذه السحب الغازية الساخنة. يتم تسخينها عن طريق الإشعاع الخارجي من النجوم الأخرى ومن حرارتها الداخلية. كيف يمنع هذا السديم المظلم الإشعاع الخارجي من تسخين الغاز في السحابة ويجعله يتحرك بسرعة كبيرة لدرجة أن الجاذبية لا تستطيع التماسك؟ هذا هو المكان
تدخل الطبيعة الغامضة لهذه السدم المظلمة. التعتيم هو مقياس لمقدار الضوء الذي يتحرك عبر الجسم. كلما زاد عدد المواد في الجسم أو كلما كان الجسم أكثر سمكًا ، قل الضوء الذي يستطيع اختراقه. يتأثر ضوء التردد العالي (أشعة غاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية) وحتى الترددات المرئية بشكل أكبر بجيوب سميكة من الغاز والغبار. فقط أنواع الترددات المنخفضة للضوء ، بما في ذلك الأشعة تحت الحمراء والميكروويف وموجات الراديو ، لديها أي نجاح في اختراق السحب الغازية مثل هذه ، وحتى أنها مبعثرة إلى حد ما بحيث لا تحتوي بشكل عام على طاقة كافية تقريبًا لبدء تعطيل هذا الخطر عملية تكوين النجوم. وبالتالي ، فإن الأجزاء الداخلية من سحب الغازات الداكنة "محمية" بشكل فعال من الإشعاع الخارجي الذي يعطل السدم الأخرى الأقل غموضًا. كلما قل الإشعاع الذي يصل إلى السحابة ، انخفضت درجات حرارة الغاز والغبار داخله. درجات الحرارة الباردة تعني حركة جزيئية أقل داخل السحابة ، وهذا هو المفتاح لما سنناقشه بعد ذلك.
في الواقع ، عندما ننزل نحو قلب هذه السحابة الجزيئية المظلمة ، نلاحظ أن الضوء المرئي الأقل والأقل يجعله يصل إلى أعيننا ، ومع المرشحات الخاصة ، يمكننا أن نرى أن هذا ينطبق على ترددات الضوء الأخرى. نتيجة لذلك ، درجة حرارة السحابة منخفضة جدًا. تجدر الإشارة إلى أن عملية تكوين النجوم تستغرق وقتًا طويلاً جدًا ، ومن أجل عدم إبقائك على القراءة لمئات الآلاف من السنين ، سنقدم الآن وقتًا سريعًا إلى الأمام. في غضون بضعة آلاف من السنين ، سحبت الجاذبية كمية لا بأس بها من الغاز والغبار من السحابة الجزيئية المحيطة بها ، مما تسبب في تجمعها معًا. جزيئات الغبار والغاز ، التي لا تزال محمية من الإشعاع الخارجي ، لها الحرية في أن تلتقي بشكل طبيعي و "تلتصق" في درجات الحرارة المنخفضة هذه. في نهاية المطاف ، يبدأ حدوث شيء مثير للاهتمام. تبدأ الجاذبية المتبادلة لهذه الكرة المتزايدة باستمرار من الغاز والغبار بتأثير كرة الثلج (أو كرة النجوم). كلما زاد تجلط طبقات الغاز والغبار معًا ، كلما أصبح الجزء الداخلي من هذا البروتوستار أكثر كثافة. تزيد هذه الكثافة من قوة الجاذبية بالقرب من البروستار ، وبالتالي تسحب المزيد من المواد إليها. مع كل حبة غبار وذرة هيدروجين تتراكم ، يزداد الضغط داخل الكرة الغازية هذه.
إذا كنت تتذكر أي شيء من أي فصل للكيمياء قمت بدراسته على الإطلاق ، فقد تتذكر علاقة خاصة جدًا بين الضغط ودرجة الحرارة عند التعامل مع الغاز. يتبادر إلى الذهن PV = nRT ، قانون الغاز المثالي. باستثناء القيمة العددية الثابتة 'n' وثابت الغاز R ({8.314 J / mol x K}) وحلها لدرجة الحرارة (T) ، نحصل على T = PV ، مما يعني أن درجة حرارة سحابة الغاز متناسبة بشكل مباشر للضغط. إذا قمت بزيادة الضغط ، فإنك تزيد من درجة الحرارة. أصبح جوهر هذا النجم الذي سيقام قريبًا في هذا السديم المظلم كثيفًا جدًا ، والضغط يتصاعد بسرعة كبيرة. وفقًا لما حسبناه للتو ، هذا يعني أن درجة الحرارة تزداد أيضًا.
نعتبر مرة أخرى هذا السديم للخطوة التالية. يحتوي هذا السديم على كمية كبيرة من الغبار والغاز (ومن ثم يكون معتمًا) ، مما يعني أنه يحتوي على الكثير من المواد لإطعام البروستار. تستمر في سحب الغاز والغبار من البيئة المحيطة بها وتبدأ في التسخين. جزيئات الهيدروجين الموجودة في قلب هذا الجسم ترتد بسرعة كبيرة لدرجة أنها تطلق الطاقة إلى النجم. يبدأ البروستار في الحصول على حرارة شديدة ويتوهج الآن بالإشعاع (بشكل عام الأشعة تحت الحمراء). عند هذه النقطة ، لا تزال الجاذبية تسحب المزيد من الغاز والغبار مما يزيد من الضغوط التي تمارس في أعماق قلب البروتوستار. سيستمر غاز سديم الظلام في الانهيار على نفسه حتى يحدث شيء مهم. عندما لا يتبقى شيء بالقرب من النجم يسقط على سطحه ، يبدأ في فقدان الطاقة (بسبب إشعاعه كضوء). عندما يحدث هذا ، تقل تلك القوة الخارجية وتبدأ الجاذبية في تقلص النجم بشكل أسرع. هذا يزيد بشكل كبير من الضغط في قلب هذا البروستار. مع نمو الضغط ، تصل درجة الحرارة في القلب إلى قيمة حاسمة للعملية التي نشهدها. أصبح قلب البروستار كثيفًا وساخنًا لدرجة أنه وصل إلى حوالي 10 مليون كلفن. لوضع هذا في المنظور ، فإن درجة الحرارة هذه أعلى بمقدار 1700 مرة تقريبًا من سطح شمسنا (عند 5800 كلفن). ما سبب أهمية 10 مليون كلفن؟ لأنه عند درجة الحرارة هذه ، يمكن أن يحدث الاندماج النووي الحراري للهيدروجين ، وبمجرد أن يبدأ الاندماج ، "يتحول" هذا النجم الوليد وينفجر إلى الحياة ، مرسلاً كميات هائلة من الطاقة في جميع الاتجاهات.
في القلب ، يكون الجو حارًا جدًا بحيث يتم نزع الإلكترونات التي تدور حول نوى بروتون الهيدروجين (المتأينة) ، وكل ما لديك هو بروتونات متحركة. إذا لم تكن درجة الحرارة ساخنة بما يكفي ، فإن هذه البروتونات الطائرة الحرة (التي لها شحنة موجبة) ستلقي نظرة على بعضها البعض. ومع ذلك ، عند 10 مليون كلفن ، تتحرك البروتونات بسرعة كبيرة بحيث يمكنها الاقتراب بما يكفي للسماح للقوة النووية القوية بالسيطرة ، وعندما تبدأ بروتونات الهيدروجين في التصادم مع بعضها البعض بقوة كافية للاندماج معًا ، ذرات الهيليوم وإطلاق الكثير من الطاقة على شكل إشعاع. إنه تفاعل تسلسلي يمكن تلخيصه لأن 4 بروتونات تنتج 1 ذرة هيليوم + طاقة. هذا الانصهار هو ما يشعل النجم ويجعله يحترق. تذهب الطاقة التي تم تحريرها بواسطة هذا التفاعل إلى مساعدة بروتونات الهيدروجين الأخرى على الاندماج ، كما أنها تزود الطاقة لمنع النجم من الانهيار على نفسه. الطاقة التي تضخ من هذا النجم في جميع الاتجاهات تأتي من القلب ، والطبقات اللاحقة من هذا النجم الشاب تنقل جميع هذه الحرارة بطريقتها الخاصة (باستخدام طرق الإشعاع والحمل الحراري اعتمادًا على نوع النجم الذي ولد) .
ما شهدناه الآن ، منذ بداية رحلتنا عندما غاصنا في ذلك السديم المظلم البارد ، هو ولادة نجم شاب ساخن. يحمي السديم هذا النجم من الإشعاع الخاطئ الذي كان من شأنه أن يعطل هذه العملية ، بالإضافة إلى توفير بيئة شديدة البرودة كانت مطلوبة للجاذبية لترسيخها وعمل سحرها. كما شاهدنا شكل البروستار ، ربما رأينا أيضًا شيئًا لا يصدق. إذا كانت محتويات هذا السديم صحيحة ، مثل وجود كمية كبيرة من المعادن الثقيلة والسيليكات (متبقية من المستعرات الأعظمية للنجوم السابقة والأكثر كتلة) ما يمكن أن نبدأ في رؤيته هو تكوين الكواكب يحدث في قرص التنامي المواد حول البروستار.
سيبقى الغاز والغبار المتبقي بالقرب من نجمنا الجديد في تشكيل جيوب كثيفة بنفس الآلية
الجاذبية ، في النهاية القدرة على التراكم في الكواكب الأولية التي تتكون من الغاز أو السليكات والمعادن (أو مزيج من الاثنين). ومع ذلك ، لا يزال تكوين الكواكب غامضًا إلى حد ما بالنسبة لنا ، حيث يبدو أن هناك أشياء لا يمكننا تفسيرها حتى الآن في العمل. لكن يبدو أن هذا النموذج لتكوين النظام النجمي يعمل بشكل جيد.
حياة النجم ليست مثيرة مثل ولادتها أو موتها. سنستمر في تقديم الساعة بسرعة ومشاهدة تطور نظام النجوم هذا. على مدى بضع مليارات من السنين ، تم تفكيك بقايا السديم المظلم وشكلت أيضًا نجومًا أخرى مثل تلك التي شهدناها ، ولم تعد موجودة. تبدأ الكواكب التي رأيناها تتشكل مع نمو البروستار في رقصتها التي تقدر بمليار سنة حول نجمها الأم. ربما في أحد هذه العوالم ، عالم يقع على بعد مسافة مناسبة من النجم ، توجد المياه السائلة. داخل هذا الماء يحتوي على الأحماض الأمينية اللازمة للبروتينات (كلها تتكون من العناصر التي خلفتها الثورات النجمية السابقة). هذه البروتينات قادرة على الارتباط معًا لبدء تكوين سلاسل RNA ، ثم سلاسل DNA. ربما في مرحلة ما بعد بضع مليارات من السنين بعد ولادة النجم ، نرى نوعًا يرتاد الفضاء يطلق نفسه في الكون ، أو ربما لم يحقق ذلك أبدًا لأسباب مختلفة ويظل مرتبطًا بالكوكب. بالطبع هذا مجرد تخمين لتسلية لدينا. ومع ذلك ، نصل الآن إلى نهاية رحلتنا التي بدأت قبل مليارات السنين. يبدأ النجم بالموت.
يتم دمج الهيدروجين في قلبه في الهيليوم ، الذي يستنفد الهيدروجين بمرور الوقت ؛ النجم ينفد من الغاز. بعد سنوات عديدة ، تبدأ عملية اندماج الهيدروجين في التوقف ، ويطلق النجم طاقة أقل وأقل. هذا النقص في الضغط الخارجي من عملية الاندماج يزعج ما نسميه التوازن الهيدروستاتيكي ، ويسمح للجاذبية (التي تحاول دائمًا سحق النجم) بالفوز. يبدأ النجم بالانكماش بسرعة تحت وزنه. ولكن ، كما ناقشنا سابقًا ، كلما زاد الضغط ، زادت درجة الحرارة أيضًا. كل تلك الهليوم التي تركت
من بلايين السنين يبدأ اندماج الهيدروجين في التسخين في القلب. يندمج الهيليوم عند درجة حرارة أكثر حرارة من الهيدروجين ، مما يعني أن قلب الهليوم الغني قادر على الضغط إلى الداخل عن طريق الجاذبية دون الانصهار (حتى الآن). نظرًا لأن الاندماج لا يحدث في قلب الهليوم ، فلا توجد قوة خارجية أو لا توجد قوة خارجية (تنطلق عن طريق الاندماج) لمنع القلب من الانهيار. تصبح هذه المادة أكثر كثافة ، والتي نسميها الآن على أنها متدهورة ، وتدفع كميات هائلة من الحرارة (تصبح طاقة الجاذبية طاقة حرارية). هذا يتسبب في اندماج الهيدروجين المتبقي الموجود في الطبقات اللاحقة فوق قلب الهليوم ، مما يؤدي إلى توسع النجم بشكل كبير حيث تحترق قشرة الهيدروجين خارج نطاق السيطرة. هذا يجعل النجم "يرتد" ويتوسع بسرعة. كلما زاد الاندماج النشط من قذائف الهيدروجين خارج النواة مما أدى إلى توسيع قطر النجم بشكل كبير. نجمنا الآن عملاق أحمر. بعض ، إن لم يكن كل الكواكب الداخلية التي شهدناها ، سيتم حرقها وابتلاعها من قبل النجم الذي أعطاهم الحياة. إذا حدث أن كانت هناك أي حياة على أي من تلك الكواكب التي لم تتمكن من مغادرة عالمها الأصلي ، فمن المؤكد أنها ستمحى من الكون ، ولن يُعرف عنها أبدًا.
ستستمر عملية نفاد الوقود في هذه النجمة (الهيدروجين أولاً ، ثم الهيليوم ، إلخ ...) لفترة من الوقت. في نهاية المطاف ، سيصل الهليوم الموجود في القلب إلى درجة حرارة معينة ويبدأ في الاندماج في الكربون ، مما سيؤخر انهيار (وموت) النجم. النجم الذي نشاهده حاليًا ويموت هو نجم تسلسل رئيسي متوسط الحجم ، لذلك تنتهي حياته بمجرد الانتهاء من دمج الهيليوم في
كربون. إذا كان النجم أكبر بكثير ، فستستمر عملية الانصهار حتى نصل إلى الحديد. الحديد هو العنصر الذي لا يحدث فيه الاندماج من تلقاء نفسه ، مما يعني أنه يتطلب المزيد من الطاقة لدمجها أكثر مما ينطلق بعد الاندماج. ومع ذلك ، لن يصل نجمنا أبداً إلى الحديد في جوهره ، وبالتالي فقد مات بعد أن استنفد خزان هيليوم. عندما "تتوقف" عملية الاندماج أخيرًا (خارج الغازات) ، يبدأ النجم ببطء في التبريد وتتوسع الطبقات الخارجية للنجم ويتم إخراجها في الفضاء. تمضي عمليات القذف اللاحقة للمواد النجمية في إنشاء ما نسميه السديم الكوكبي ، وكل ما تبقى من النجم اللامع الذي شاهدناه الربيع إلى الوجود أصبح الآن مجرد كرة من الكربون الكثيف الذي سيستمر في البرودة إلى الأبد ، ربما تتبلور إلى الماس.
الموت الذي شهدناه الآن ليس الطريقة الوحيدة التي يموت بها نجم. إذا كان النجم كبيرًا بما يكفي ، فإن موته يكون أكثر عنفًا. سوف ينفجر النجم في أكبر انفجار في الكون ، يدعى السوبرنوفا. اعتمادًا على العديد من المتغيرات ، يمكن أن ينتهي الأمر ببقايا النجم كنجم نيوتروني ، أو حتى ثقب أسود. ولكن بالنسبة لمعظم ما نسميه متوسط التسلسل الرئيسي للنجوم ، فإن الموت الذي شهدناه سيكون مصيرهم.
تنتهي رحلتنا بتأمل ما لاحظناه. رؤية ما يمكن أن تفعله الطبيعة فقط في ظل الظروف المناسبة ، ومشاهدة سحابة من الغاز البارد والغبار تتحول إلى شيء يمكن أن ينفث الحياة في الكون. تعود عقولنا إلى تلك الأنواع التي كان من الممكن أن تتطور على أحد تلك الكواكب. أنت تفكر في الكيفية التي مروا بها بمراحل مشابهة لنا. ربما باستخدام النجوم كآلهة خارقة التي وجهت معتقداتهم لآلاف السنين ، واستبدال الإجابات في حيث ساد جهلهم. يمكن أن تتحول هذه المعتقدات إلى ديانات ، ولا تزال تستوعب فكرة الاختيار الخاص والفكر الشهم. هل ستشعل النجوم رغبتها في فهم الكون كما فعلت النجوم بالنسبة لنا؟ ثم يتأمل عقلك ما سيكون مصيرنا إذا لم نحاول اتخاذ الخطوة التالية في الكون. هل يجب أن نسمح بمحو جنسنا من الكون بينما يتوسع نجمنا في موته؟ هذه الرحلة التي قمت بها للتو في قلب سديم مظلم تجسد بالفعل ما يمكن للعقل البشري أن يفعله ، وتوضح لك إلى أي مدى وصلنا على الرغم من أننا لا نزال ملتزمين بنظامنا الشمسي. تم العثور على الأشياء التي تعلمتها من قبل أشخاص مثلك يسألون ببساطة عن كيفية حدوث الأشياء ثم تجسيد ثقل معرفتنا بالفيزياء. تخيل ما يمكننا تحقيقه إذا واصلنا هذه العملية ؛ القدرة على تحقيق مكانتنا بين النجوم.
