الموت التراجيدي للنجوم الكونية
نمر مهنا
فكرة جيدة أن تمشي مع من تحب تحت سماء صافية في ليلة باردة تزينها النجوم البراقة , يتلألأ ببريقها الأخاذ الذي يخطف الأبصار. تقف لحظة وتحدق عالياً… وتنظر إلى ترتيب غاية في الجمال , غاية في الإبداع , وغاية في الإتقان. أنجزه رب الكون العظيم كزينة إلهية لا مثيل لها . للناظر أول مرة إلى سماء الليل يتبادر له أن هذا التنسيق عشوائي المنشأ .. إلا أن نظرة المتأمل ستكون أكثر إمعاناً وإعجاباً باللوحة المعلقة في السماء… ذات الظهور الأبدي والتكرار المنتظم خلال عمر الإنسان القصير.1
إلا أن كلمة أبدي هنا كصيغة مبالغة للعمر المديد الخاص بالنجم بالمقارنة مع أي شيء له أجل , كعمر الإنسان الذي قد يمتد كحد أقصى إلى قرابة المائة وبضع عشرات من السنين , إذ أن هذا الكون بحد ذاته ليس أزلي وله نهاية حتمية لا مفر منها . فالبداية رديفة النهاية , فلا نهاية إلا ببداية محتومة المصير , ولا بداية إلا بنهاية يقررها رب هذا الكون العظيم.1
والحياة مراحل عدة … أحلاها المرحلة الفتية المتمثلة بقوة الشباب وعنفوانه , وأقساها على الإطلاق لحظة الاحتضار وإخراج الروح إيذاناً بنهاية قررها رب هذا العالم الكبير .فكما للكائن الحي مراحل حياتية عدة يمر بها من البداية حتى النهاية … كذلك للنجوم التي سحرت أعين من تأملها بصدق … نهاية وبداية . لكن سوف لن أجرؤ ولو على سبيل الجدال أن أقرن مراحل نمو الإنسان بمراحل نمو واندثار النجوم . لماذا ؟!1
لأن العمر الجيولوجي للبشرية ككل منذ ظهورها على وجه الأرض حتى الآن لا تساوي جزء بسيط من مرحلة الطفولة التي مرت بها نجمتنا الصفراء … الشمس . ربما إدراك أعمار النجوم التي تحيط بنا أصعب من أن يصدق . لكن من جهة أخرى أتوقع لعظم الكتلة النجمية سبباً وجيهاً لمثل هذا العمر المديد والذي قد يتجاوز كحد أدنى في بعض النجوم غير المستقرة ما يقارب مائة مليون سنة.1
في عام 1054 م وبالتحديد في فجر الرابع من يوليو من ذلك العام " طبقاً لبعض الحسابات " إذ شوهد نجم ساطع بعد منتصف الليل وقد كان موقعه في برج الثور بعيداً إلى الشمال من خط الاستواء في دائرة البروج. لقد كان توهج النجم الجديد عظيماً لدرجة أنه أمكن رؤيته عند الظهيرة لمدة ثلاث أسابيع قبل أن يخفت تدريجياً ويتوارى من جديد . لقد فاق لمعان هذا النجم طوال تلك الأسابيع ثلاثة أمثال لمعان كوكب الزهرة عند الأوج . لدرجة أنه كان قادراً على تكوين الظلال أثناء ليلة غير مقمرة . يعتقد أن الصينيين هم أول من دونوا ذلك في مخططاتهم ووصفوه بالنجم الضيف إذ أنه لم يستمر مرئياً بالعين المجردة إلا مدة عامين ثم اختفى .1
إذاً هل كان بمقدور قدماء الصين في ذلك الوقت تفسير وتحليل ملابسات ولادة واندثار نجم بهذه السرعة الكبيرة … ؟! بمعنى هل يعقل أن يكون هذا النجم قصير الأمد والأجل لهذا الحد …؟! وقبل كل شيء , هل أمكن لعلماء الصين في ذلك العصر وضع تعريف واف للنجم …؟؟ و محتواه الحقيقي … ؟!!1
إذاً لنشارك الصينيين هذا السؤال: ما هو النجم … ؟!1
النجم كتلة نارية ملتهبة معلقة بقدر الله في الفضاء ، وتتكون بشكل أساسي من عنصر الهيدروجين والهليوم. يكون الهيدروجين المسؤول الأول عن نشاط النجم وفعاليته الحقيقية إذ يعمل على تأمين الضغط الحراري اللازم لبدء سلسلة التفاعلات النووية الاندماجية والمسؤولة عن حياة النجم ككل . يحافظ على بقاء النجم ككتلة هندسية متماسكة قوتان أساسيتان :1
الأولى : القوة الانفجارية والتي تنشأ من انفجار نووي واحد ، وهذه القوة تسببها القوة النووية الشديدة الكامنة في ذرات الهيدروجين النشط إثر التفاعل النووي الاندماجي . تعمل هذه القوة على تفتيت النجم ونثر مادته نحو الخارج. لكن تعاكس هذه القوة بالاتجاه … قوة الجاذبية النابعة من كتلة النجم الهائلة , حيث تعمل بدورها على تجميع النجم في نقطة هندسية واحدة في الفضاء وبالتالي يبقى معدل حجم وشكل النجم ثابتين طالما بقيت هاتين القوتين متساويتين , ما لم يطرأ تغيير على إحداهما يخل بما هو في مصلحة بقاء النجم.1
يعتبر النجم فتياً بقياس ما بداخله من هيدروجين , فالنجوم الوليدة تكون غنية بعنصر الهيدروجين المتحفز لإشعال مرجل النجم ورفع حرارته . لكن من جهة أخرى لا يشترط طول أجل النجم في وفرة الهيدروجين في بعض النجوم والتي سيرد ذكرها في القسم الثاني من هذا الموضوع .1
البداية:1
تنشأ النجوم في الغالب داخل حاضنة كونية غنية بأكسير حياة النجوم … الهيدروجين الكوني الذي يكون غزيراً جداً في أعماق الحاضنة . يسمي العلماء هذه الحاضنة بالسديم Nebula وهي سحابة من عنصر الهيدروجين بشكل رئيسي تمتد في الفضاء لمسافات قد تصل في بعض الأحيان إلى عشرات السنين الضوئية مثل السديم المشهور في كوكبة الجبار Orion , M42 والذي يبعد عنا 1500 سنة ضوئية وتمتد هذا السديم لمسافة 27 سنة ضوئية.1
يبدأ النجم بالتكون داخل هذا السديم عندما تلوح فرصة إرتصاص كتلة من الهيدروجين وتأخذ بالتجمع والانضغاط حتى تبدأ الطاقة الإشعاعية بالعمل على تسخين القلب إلى الحد المسموح لبدء سلسلة التفاعلات النووية والتي ستكون مسؤولة عن روح النجم فيما بعد . وتستمر هذه السلسلة حتى نفاذ كامل الوقود النووي للنجم . يصل الضغط في الباطن إلى أكثر من مليون طن على السنتيمتر المربع , بل أكثر بكثير في بعض النجوم العملاقة . مثل هذه الضغوط الهائلة واجبة لتوفير الراحة لمجمل التفاعلات اللازمة لحياة النجم حتى تسير بشكل متوازن.1
هنالك نوعان من التفاعلات النووية الاندماجية التي تحدث في باطن النجم حيث كشف عنهما الفيزيائي هانس بيث Hans Bethe ونال جائزة نوبل على ذلك. فالتفاعل الأول من النمط : (بروتون - بروتون ) أي اندماج بين البروتونات فقط . في هذه التفاعلات تتركب اندماجياً ثلاث بروتونات لتخليق نواة هليوم مع إصدار طاقة على شكل ضوء ونوترينوات n . لكن كيف يبدأ هذا التفاعل؟! تكون الحرارة داخل النجم كافية لتقود ذرتي هيدروجين أو بروتونين للاقتراب من بعضهما البعض لدرجة تسمح فيه الحرارة الهائلة للوسط المحيط بهذين البروتونين بالاندماج متغلبة بذلك على القوى النووية الشديدة التي لا تسمح لاقتراب أي جسم كان من نواة الذرة . بهذا الاندماج المحقق يتحرر من أحد البروتونين نيوترينو أولي و إلكترون معكوس الشحنة السالبة " أي بوزيترون موجب e+ " إضـافة إلى نيوترون متعادل الشحنة . ويبقى البروتـون الآخـر ملتصقاً بالنيوترون ليكـون معـه نواة نظير الهيدروجين الثاني أو الديتريـوم. 2D تتحرر من هذه العملية طاقة كبيرة تحفز تفاعل آخر للقيام بدور مماثل , كما يتحرر جزء كبير من هذه الطاقة على شكل طاقة ضوئية عظيمة. يصطدم بروتون آخر إثر استمرار التفاعل المتسلسل بنواة الديتريوم فيكون معه بعد الاندماج نظير نواة هليوم 3He عند ذلك يصبح من الممكن اندماج أنويه أكبر , فيواتي لنواتي نظير الهليوم 3 الفرصة للاندماج معاً مجدداً لتكوين نواة هليوم He 4 , وينطلق بروتونان كناتج بحثاً عن هدف لهما.
التدفق المتسلسل لتلك التفاعلات مشروط بوجود وسط حراري يجب إن لا يقل عن 15 مليون درجة مئوية في باطن النجم وذلك للأهمية القصوى التي تسمح للتغلب على الحاجز الطاقي المحيط بالنواة , وهذا الحاجز لا يمكن اختراقه إلا برفع حرارة المرجل إلى ملايين الدرجات . يختزن الهليوم الناتج أخيراً في باطن النجم كرماد للاحتراق النووي السابق.1
أما النمط الثاني : (تفاعل دورة الكربون ) هذه التفاعلات تحدث عادة في العمق السحيق للنجم حيث تندمج ذرتي هليوم مع إصدار طاقة لتكوين البيريليوم Be , فالكربون C , فالأكسجين O وهكذا وصولاً للحديد Fe كآخر ناتج نووي على الإطلاق داخل النواة النجمية في العمق منه , حيث لا تفاعل اندماجي بعد ذلك بين نوات الحديد. طبعاً يحقق هذه التفاعلات علاقة الطاقة النسبية والتي صاغها ألبرت أينشتاين والمتمثلة بالعلاقة التالية E= m C2. فالخسارة الحاصلة في الكتلة أثناء التفاعل النووي كما هو معروف تتحول تلقائياً إلى طاقة كناتج لهذا التفاعل المتسلسل.1
على أقل تقدير نجد أنه في كل ثانية يدخل 570 مليون طن من الهيدروجين هذه التفاعلات وفي كل ثانية يتحول ما يعادل 4 ملايين من المادة إلى طاقة , أي ما يعادل 4000 مليار مرة طاقة القنبلة التي دمرت مدينة هيروشيما . وعليه فإن سمشنا مثلاً تخسر كل ثانية ما يعادل 4 ملايين طن من المادة على شكل طاقة.1
إذا متى سوف تنتهي شمسنا … ؟!1
نهاية القسـم الأول .1
نمر مهنا
من مواليد مدينة الخبر (المملكة العربية السعودية) عام 1973 م . فلسطيني الجنسية، حاصل على بكالوريوس في العلوم الفيزيائية والكيميائية من سوريا عام 1996 م. له بعض المشاركات في مجال علم الفيزياء، فألف هو و زميل له في عام 1996م كتاب بعنوان "نظرة شاملة حول النظرية النسبية". يمكن مراسلته على العنوان التالي :
m_nemer@hotmail.com
[ العودة للصفحة الرئيسية ]
الجمعية الفلكية الأردنية (جفأ)، جميع الحقوق محفوظة. لمزيد من المعلومات يرجى إرسال بريد إلكتروني أو مراسلة الجمعية على العنوان التالي: ص.ب. 141568، عمّان 11814، الأردن
الموت التراجيدي للنجوم الكونية ( 2 )
نمر مهنا
مقدمة
متى تنتهى الشمس ؟ هذا ما سُـئـل في نهاية القسم الأول من سلسلة حلقات الموت التراجيدي للنجوم الكونية ، وهو ليس بالسـؤال المتداول بين أيدينا ، فالجواب لا يكون بشكــل مـباشر " تنطـفئ " ... طبعاً لا !! ليس بهذه البساطة .
يخضع إندثار النجوم إلى مجموعة من التفاعلات والطقوس المتداخلة فيما بينها والتي تتعاظم كلما زاد حجم و كتلة النجم وأصبح موته أكثر دراماتيكية كما سوف نرى في القسم الثالث من هذه السلسلة.
ليس من البساطة حقاً على مخلوق كالنجم أن يندثر كأي مخلوق في هذا الكون الفسيح ، فموت النجوم لا تضاهيه أي نـهاية لأيً كان في هذا العالم الكبير المجهول . سأحاول بقليل من الأسطر وبعيداً عن المعادلات النووية والرياضية تلخيص جزءً يسيراً والذي يتعلق بعلم إندثـار النجـوم الكونية كما وصـفه مجمـوعة كبيرة من العلماء منذ منتصف القرن العشرين .
وقبل هذا الإستعراض الشيق بحق ، لابد من إعادة النظر مرة أخرى ولكن بإمعان في أربع قوى تحكمها فقط الطبيعة ولا دخل للإنسان فيها ، كنا قد جئنا على ذكرها بشكل موجز في القسم الأول . وسوف تخدمنا معرفة تلك القوى العالمية في فهم معنى الإستقرار النجمي من جهة وكيف يفقد في النهاية هذا الأستقرار.
تتلخص القوى في الطبيعة إلى أربع أصناف كبرى :
1. قوة الثقالة : وهي كما وصفت من قبل العالم ستيفن هوكنج في كتابه المعروف موجز تاريخ الزمن , إذ ما هي إلا الجاذبية ولكل جسم أي كان له جاذبية تتناسب وكتلته . والثقالة هي أضعف القوى لدرجة لا يمكن أن نتلمسها لولا خاصيتين تميزانها :
o طول مداها الكبير جداً.
o صفتها المستمرة دون إنقطاع.
وهي محمولة بحسب تعريف الفيزياء للقوة على جسيم يعرف بـ غرافيتون graviton والذي بدوره ليس له كتلة مما يجعل مدى الثقالة كبير. للأرض قوة ثقالة تساعدها على أسر القمر ليدور حولها وسائر الكائنات التي تعيش عليها. والمشتري أعظم حجماً من الارض لذا هو قادر على جمع عدة أقمار لتدور حوله في أن واحد . ولو تحركت الأرض في جوار المشتري لكان عليها أن تدور حوله وإلا سقطت فيه . وللشمس التفوق الأكبر من ناحية الثقالة فهي لا تجبر الأرض على الدوران حولها وحسب بل المشتري أيضاً وكافة الأجرام التي تنتمي للمجموعة الشمسية.
إن كشف مثل هذه القوة من الصعوبة بما جعل العلماء يطلقون إصطلاح الأمواج الثقالية المنتشرة في الأرجاء . وإن زخم هذه الأمواج يتناسب وكتلة الجسم .
2. قوة التفاعل النووي الشديد : وهو في الحقيقة المنافس كما أسلفنا في القسم الأول والذي يعكر صفو قوى الثقالة ، إذ تعاكس هذه القوة في الإتجاه قوة الثقالة . وهي ذاتها القوة المسؤولة تماماً على تماسك نواة الذرة وتجعل البروتونات الموجبة الشحنة تقف جنباً لجنب دون تنافر بجوار النيترونات .
إضافة إلى مخالفتها لاتجاه قوة الثقالة فهي أيضاً تخالفها في المدى فحيث أن للثقالة مدى كبير ، فاللقوة النووية مدى يبلغ من الصغر بحيث لا يمكن قياسه على المسطرة ( cm -13 ^ 10 ) أو ما يسمى بـ الفيرمي Fermi ، فبعد هذه المسافة لا أثر يذكر للقوة النووية وأقل من هذه المسافة لا يفلت منها أي جسيم . في حين يمكن لقوة الثقالة أن تمتد في الفضاء إلى مئات مئات الملايين من الأميال أو حتى مليارات متعددة .
في النجوم بشكل عام ... علِمتَ أيها القارئ أن التنافس الشديد بين قوة الثقالة والقوة النووية الحاصلة في باطن النجم هي سبب إستقرار هذه الأجرام . وهذا الاستقرار قد يمتد إلى مليارات السنين ولكن من منظور أخر فإن مـآل هذه المنافسة إلى هلاك حتـمي . لكن لمن الغلبة في النهاية؟
يربط كلاً من كتلة النجم ودرجة حرارته علاقة وطيدة والتي هي نتاج أن قوى الثقالة والتفاعل النووي في باطن النجم يجب أن تكون محصلة إتجاههما متساوية للحفاظ على حياة النجم . سوف نطلق إصطلاح الضغط وهو ما يولده التفاعل النووي في باطن النجم والذي يسعى إلى تمزيق النجم ونشره في الفضاء .
يطلق على شرط التوازن فيما بين الضغط وقوى الثقالة ** التوازن الهيدروستاتيكي ** Hydrostatic Balance ويكون بالتالي الضغط وقوى الثقالة متناسبان طرداً . فالتوقع أن تواجه الكتلة الكبيرة ضغطاً في الباطن والذي يتطلب جذباً ثقالياً يعمل على لم شتات النجم . وبالتالي ضغط النجوم العملاقة أكبر من تلك ذوات الكتل الصغيرة . ولهذا يكون لب النجوم ذوات الكتل الكبيرة أكثر حرارة لتوليد هذا الضغط الكبير من النجوم الصغير ، وعليه تكون أكثر سطوعاً ولمعاناً وفي النهاية ثقالة أكبر .
نعلم الأن أن طـاقة الـنجم مختزنة تمـاماً في باطـن النجم وكـل حياته تتوضع فـي المـركز - اللـب - ، وعليه يكون التوازن الهيدروستاتيكي مرهون بالكامل بكتلة النجم وما يحويه من هيدروجين .
في النجوم الصغيرة أن يكون باطن النجم مفعم بتفاعل نووي أكثر هدوءً إذ من الصعب أن يسبب التفاعل في اللب ضغطاً كبيراً ، كذلك المنافسة القائمة بين الثقالة والضغط تكون نوعاً مـا محصورة .
قد لا يكون بمقدور النجوم الصغيرة الكتلة تكون نواتج سلسلة الكربون بالكامل في باطن النجم لافتقارها للحرارة اللازمة لذلك ، وبالتالي تميل النجوم الصغيرة إلى لون أحمر غير ساطع بالقدر المطلوب وذلك لأن سطحها بارد نوعاً ما (2500-3000 º K ) لكن تجدر الإشارة إلى أن نجوم الكتل الصغيرة تتميز بعمر فلكي طويل بالمقارنة مع النجوم المتوسطة والكبيرة - كما سوف نرى لاحقاً - ، إذ أن معدل حرق وقود النجم يعتمد على سطوعه وكتلة النجم . وبالتالي فإن نجم من فئة الشمس يكون عمره بحدودعشرة مليار سنة ، لكن نجم يناهز 10 كتل شمسية فلا يتجاوز عمره مئة ألف سنة ، وعليه يبدأ النجم باستهلاك ما في باطنه من وقود نووي في حين تكون الطبقة الخارجية منه غنية به .
أما الحال الهيدروستاتيكي في النجوم العملاقة فيكون في وضع لا يحسد عليه فالوقود في هذا النوع من النجوم صعب المراس وعلى خلاف للنجوم الصغيرة . إذ كما أشرنا سابقاً يكون عمر النجوم العملاقة إقصر منها من الصغيرة . وقد يكون هذا غير منطقي للوهلة الأولى إذ من الطبيعي أنه كلما زادت الكتلة زادت كمية الوقود النووي المشتعل في باطن النجم وبالتالي زاد عمره الفلكي .
نعم ... ولكن زيادة الكمية لا تشطرت زيادة العمر بل على العكس ، فهذه الزيادة في كمية الوقود سوف تكلف النجم العملاق ثمن حياته وإندثاره التراجيدي حقاً والذي هو سبب عنوان هذه السلسلة .
سوف نخصص نقاشنا فيما يلي من " سلسلة الموت التراجيدي للنجوم الكونية " لدراسة إنهيار النظام الهيدروستاتيكي لنجوم الفئة الشمسية أو ما يخص نجمتنا الشمس .
نجوم الفئة الشمسية :
إنهيار النظام الهيدروستاتيكي للفئة الشمسية :
يخضع لقوانين هذا الإنهيار جميع النجوم التي تقل عن ثماني كتل الشمس الكتلة الشمسية . يبدأ الموت التراجيدي للنجوم من هذه الفئة باستنفاد النجم للوقود النووي والذي يترتب عليه ذلك إنخفاض معدل الضغط الذي تولده سلسلة التفاعلات النووية في الباطن و كما نعلم أن إتجاه هذا الضغط يسعى إلى بعثرة النجم إلى الخارج ، وبانخفاض معدل الضغط تبدأ المبادرة تظهر لصالح قوى الثقالة جاعلة النجم ونواته تتقلص نحو الداخل . يرفع هذا التصرف درجة حرارة اللب الذي استنفد كامل الهيدروجين اللازم لسلسلة التفاعلات النووية الحرارية .
ناتج إحتراق الهيدروجين " إندماج ذرتي هيدروجين " هو الهيليوم كما رأينا في القسم الأول . ولأن الإندماج النووي لا يمكن تأمينه لنواتي ذرة إلا برفع درجة حرارة اللب إلى ما يقارب 7 مليون درجة بالنسبة للهيدروجين . أما ذرتي هيليوم فلا يمكن من إدماجهما إلا برفع حرارة الوسط إلى ما يناهز 100 مليون درجة . وعليه لا تكون الفرصة مواتية بعد للهيليوم ببدء الإندماج .
يستمر إنهيار لب النجم إلى الداخل بفعل الثقالة وتواصل الحرارة بالإرتفاع تدريجياً ، الأمر الذي يوفر للهيدروجين في قشرة اللب ببدء الفعالية بمواصلة الاحتراق لكن بصفة مؤقتة والذي سوف يساعد بتأخير موت النجم لفترة وجيزة من الوقت .
العملاق الأحمر Red Giant
يوفر إحتراق الهيدروجين في الطبقات القشرية للب حرارة إضافية يساهم مع قوة الثقالة في تقليص اللب أكثر فأكثر ، ومع زيادة الضغط حول اللب يندفع الغاز المحيط باللب نحو الخارج مسبباً بذلك تمدداً في الحجم الكلي للنجم وهذا التمدد يكون كفيلاً لإعطاء الفرصة بتبريد المنطقة حول اللب ذات الكثافة المتدنية . وبانخفاض درجة حرارة الغاز المحيط باللب يشع النجم باللون الأحمر بطول موجي كبير داخلاً مرحلة العملاق الأحمر - Red Giant - إذ يزيد قطر هذا العملاق نحواً يزيد عن قطر الشمس بمئات المرات . إذا وصلت الشمس لمرحلة العملاق الأحمر يكون محيطها قد وصل إلى ماهو أبعد من فلك الأرض الحالي حول الشمس . ولكن هذا ذا حجم خادع فكل كتلته متوضعة في اللب الذي لا يتجاوز حجمه المتقلص كثير عن حجم الكرة الأرضية ، لكن بكتلة وكثافة مادية هائلتان .
إحتراق الهيدروجين القشري لن يطول إلى أمد بل يصل النجم لمرحلة يبدأ بها اللب بحرق الهيليوم.
إذ الخيار الوحيد الأن المتاح للنجم هو حرق نوى الهيليوم كي يحافظ على حياته متألق في الفضاء . لكنه يلزم كي يدفع نواتين من الهيليوم للإندماج تأمين حرارة تصل إلى 100 مليون درجة . تتراص ذرات الغاز الموجود باللب لدرجة كبيرة بحيث يسلك هذا الغاز سلوك الجسم الصلب عندما يسخن من شدة الارتصاص والضغط الناتج من إحتراق الهيدروجين القشري ولكن الإرتفاع في الحرارة لايسمح للب بالتمدد إذ توالي الحرارة والطاقة بالتحرر حتى يأخذ سلوكهما صفة إنفجارية بما يسمى بومضة الهيليوم - Helium Flash - ويبدأ الهيليوم بالإندماج مع توفر مايقارب 100 مليون درجة في الباطن وبالتالي يبدأ لب النجم نشاطاً جديداً بإعادة تسخين لبه من جديد مغيراً بذلك إشعاعه من اللون الأحمر إلى الأصفر - العملاق الأصفر - .
* العملاق الأصفر Yellow Giant
إذاً يعقب العملاق الأحمر مرحلة العملاق الأصفر الذي يحرق الهيليوم في باطنه - سوف تمر الشمس بهذه المرحلة بعد 6 مليارات من السنين - . إن سطوع العمالقة الصفراء قد يفوق الشمس بـ 100 مرة في حال كانت كتلتها مساوية لكتلة الشمس ، أما إذا كانت أكبر فقد يصل سطوعها إلى 2000 مرة .
النجم الأن يحتضر ويبدأ من مرحلة العملاق الأصفر بمفارقة الروح ، فنجوم الفئة الشمسية التي مرت بهذه المرحلة سوف تتمتع بصفة مميزة نطلق عليها صفة النجوم المتغيرة variables أو النجوم النابضة . فهي بالفعل تبدأ بآلية تشبه تماماً حال النبض pulsing المتواصل كما ينبض قلب الأنسان .
إن متبقيات الطاقة الكامنة في غلاف النجم الجوي خارج اللب تسخن هذه الطبقات المحيطة باللب فتتمدد هذه الطبقات ، لدرجة تبدأ بالتبرد . فتعود المبادرة للثقالة فتعيدها للتقلص ، فتنضغط الطبقات الخارجية ثانية وتسخن من جديد فتعود للتمدد ... وهكذا وبشكل نابض ، فتارة ينتفخ النجم وتارة ينكمش وبوتيرة تكاد تكون منتظمة ولكن لفترة مؤقتة .
تتفاوت دورة النبض الواحدة للنجم من عدة ساعات إلى أشهر .
تبقى الشمس أو نجوم الفئة الشمسية في مرحلة العملاق الأصفر حتى تستنفد كامل الهيليوم في اللب وذلك في غضون مليار سنة فقط ، وهو يعادل 10% من عمر الشمس . يكون الناتج النووي لاحتراق الهيليوم - حسب دورة الكربون - ذرات من الكربون النووي في أعماق لب النجم .
يحدث تقلصاً في اللب من جديد ، والذي يجعله حاراً لكن ليس لدرجة تكفي لبدء حرق الكربون واندماج ذراته ، لكن في النجوم العظيمة الكتلة سوف يتوفر للكربون الفرصة لبدء الاندماج . من جهة أخرى تكون حرارة اللب كافية لاستكمال حرق الهيليوم في باطن النجم . تزداد حرارة النجم بشكل مطرد مما يزيد من سطوع ولمعان النجم . وفي لحظة يتخلى اللب الساخن عن طبقة الغازات المحيطة به بلفظها بعيداً في الفضاء بمعدل ( 20 Km/sec ) مكوناً مايعرف بالسديم الكوكبي Planetary Nebula حيث تكوّن الغازات الملفوظة غلافاً حول ما تبقى من اللب ممتداً حوالي ربع سنة ضوئية إتساعاً .
ماتبقى من اللب هو القزم الأبيض White Dwarf وهو جسم متراص يحوي معظم كتلة النجم ولكن ذو كثافة عظيمة
مليون غرام في البوصة الواحدة حيث كتلته تقارب كتلة النجم الأصلي ولكنه بحجم كوكب الأرض أو ربما أصغر .
مادة القزم الأبيض :
القزم الأبيض هو البقي الباقية من الصراع الدرامي لنهاية نجم , إذ أن مكوناته الأساسية الكربون كناتج أساسي بعد حرق الهيليوم ، وهو كتلة ساخنة جداً (150000 k) كلفن في البداية قبل أن يبرد . طبعاً التوقع يؤكد أن القزم الأبيض لا يتابع سلسلة التفاعلات النووية إذ أن كتلة النجم كانت بالأساس من الفئة الشمسية الصغيرة وبالتالي تكون الثقالة غير كافية لكي تقلص اللب وتسخنه موقدة فتيل التفاعل النووي .
أما الطبقة القشرية المحيطة بالنجم الصغير - القزم- فهي عبارة عن متبقيات من هيدروجين لم يدخل في التفاعل وبقية باقية من الهيليوم ، كان النجم قد لفظها أثناء صراعه الأخير .
يطلق عليه أبيض لإشعاعه باللون الأبيض نتيجة حرارتة الكبيرة ، إلا أنه يبدأ بالتبرد شيء فشيء حتى تصل الحرارة فيه إلى (20000 K)وذلك بعد مhيقارب 10 مليون سنة سنة ، عندها سوف يشع باللون الأحمر ثانية ولكن ليس لأنه عملاق أحمر هذه المرة بل نجم قزم صغير منخفض درجة الحرارة . ويعرف عن القزم الأبيض أن مستقر ومتوازن من الناحية الهيدروستاتيكية ، إذ أن الضغط وقوى الثقالة متساويان . إلا أن القزم الأبيض يملك حقلاً مغناطيسياً هائلاً يعادل 10,000 مرة من تلك الحقول التي تولدها البقع الشمسية . بسبب التراص العظيم الذي تصل له الكتلة النهائية لنجم فئة شمسية ، فإن إلكترونات المدارات الذرية تتراكب مع الذرات المجاورة ، وقد يحدث تفاعلات نووية خاصة جداّ لا يكون لها فعالية مباشرة على النجم القزم .
M57 وَ NGC 7293 هما مثالان حيان لأشهر سديمين كوكبيين يمكن دراستهما جيداًَ بمنظار فلكي متوسط القوة . لاحظ موقع القزم الأبيض في المنتصف في كل صورة ، حيث يقع في المنتصف تماماً وبشكل متناظر دليلاً على لفظه للمواد المحيطة حوله .
يواصل القزم الأبيض نهايته بالتبرد وإنخفاض حرارة باطنه وانطفاء التفاعل النووي حتى يتحول لقزم أسود عاجز عن إرسال الضوء .
إلى هنا نصل لنهاية تراجيدية لنجم من الفئة الشمسية بعمر طال إلى مايقارب 10 مليارات سنة قضي منها خمس مليارات من السنين فتياً يافعاً ومستقراً . تدرور الأن شمسنا بالمليار الخامس ونحن للأن لم نلاحظ أي تغير جوهري قد طرأ على خواصها أو حتى أداؤها ، فهي ماتزال تزود الأرض بالحرارة والدفء اللازمين للحياة عبر تاريخ ٍ جيولوجي طويل لكوكبنا الأسير .
نهـاية الـقسم الثـاني ...
نـمر أحـمد مهنـا
(m_nemer@hotmail.com)
** خـاص بالجـمعية الفلـكية الأردنـية :
أود أن أسجل شكري وامتناني لكل العاملين في هذه الجمعية المعطاء ، ولكل من نهل من علم الفلك بجد وبصدق وحاول فهمه كما يجب ومارسه . إن في هذا العلم خلاصة عميقة ومتجسدة لكل العلوم قاطبة ، وتلتحفه فلسفة حياتية أعمق . وأنا على قناعة بتأثرنا سواء المباشر أم غير المباشر بكافة الظراهر الفلكية القريب منا والبعيد . وفقكم الله ,,,
الموت التراجيدي للنجوم الكونية ( 3 )
نمر مهنا
مقدمة
قد يكون مسلسل حلقات الموت التراجيدي للنجوم الكونية قد شارف على نهايته , وبمعنى أصح فإن القسم الثالث والأخير هو بالتحديد ما يخص الموت التراجيدي والدرامي الحاصل للنجوم العملاقة في الكون .
إن ما حصل للنجوم ذوات الكتلة الصغيرة موت من النوع البطيء والذي يتلمسه القارئ إذا ما أمعن في سطور القسم الثاني من هذا المسلسل . إن النافسة الشديدة الحاصلة بين قوى الثقالة وقوى الضغط النووي التي لوحظت من خلال نجوم من الفئة الشمسية أو أقل تتعاظم في حالة نجم عملاق يعادل أكثر من عشرة أضعاف كتلة الشمس والذي يعمل بدوره في تسريع إنقراض النجم والتعجيل في نهايته .
نعلم أن الحالة التي يسلكها نجم صغير نحو نهايته والممثلة في القزم الأبيض تتطلب زمناً ليس بقصير والذي يعكس إستقراراً وضعياً في بنية نجوم الفئة الشمسية " شمسنا " فنجوم هذه الفئة كما رأينا سابقاً تغدو 10 مليارات من السنين كي تستهلك كامل الهيدروجين والذي يكون مسؤولاً عن الفترة الفتية للنجم , ومليار سنة كفرصة أخرى للهليوم كي ينضب , ويستمر حتى يبرد نهائياً وينطفئ بهدوء مليارات من السنين الأخرى . لكن النجوم العملاقة ترفض أن تنتهي بهذا الهدوء وذلك عزاءً لكتلتها العملاقة ومقدار ما في باطنها من وقود نووي فعّال .
إن الإنهيار الهيدروستاتيكي الحاصل لنظام النجوم العملاقة أكثر دراماتيكية من الذي يحدث لنجوم الفئات الصغيرة أو الفئة الشمسية وسوف نرى فيما بعد كيف تلعب كتلة النجم نفسها دوراً أساسياً في هذا الأنهيار .
نجم رجل الجبار أو الصياد Rigel ومنكب الجوزاء Betelgeuse في كوكبة الصياد Orion من أشهر النجوم العملاقة المعروفة لدى علماء الفضاء , إذ يفوق سطوعها سطوع الشمس بحدود 350.000 , 150.000 مرة على الترتيب . وبالتالي سوف نعتبر رجل الجبار من أفضل الأمثلة للنجوم العملاقة التي نسوق بواسطته دراستنا الحالية .
يبعد نجم رجل الجبار حوالي 900 سنة ضوئية عن مجوعتنا الشمسية وهو ذو لمعان يقدر بحوالي 0.34 وهو نجم أزرق مائل للبياض من ناحية اللمعان وأكبر بـ 65 مرة حجماً من الشمس , وهو عبارة عن قدم الصياد اليمنى في شكل الكوكبة . وهي كوكبة شتائية تحتل مساحة كبيرة من القبة السماوية .
< td>
< td>
يعد نجم رجل من النجوم المرشحة لنهاية مفجعة قد تصل آثارها حتى لكوكب الأرض بشكل أو بآخر من شدة ما سوف يحصل لمثل هذا النجم العملاق .
تبدأ نهاية النجم بنفاذ وقوده النووي المتعلق بالهيدروجين ليتحول بفعل الضغط الممثل بسلسلة التفاعلات النووية الإندماجية الحاصلة مع نوى الهيدروجين لتكوين الهيليوم . لكن الحرارة التي يوفرها باطن نجم عملاق مثل الرجل , إذ أن درجة حرارة السطح فقط تبلغ ما يقارب 12.000 كلفن أي أكثر من ضعفي الحرارة على سطح الشمس , توفر هذه الحرارة الفرصة كاملة لذرات الهيليوم لمواصلة التفاعلات الإندماجية معاً .
الفعاليات النووية في باطن النجوم العملاقة
درجة حرارة باطن النجم العملاق كافية كي تسلك سلسلة التفاعلات النووية بالباطن سلوك منظم أكثر من الحال من نجوم الفئة الشمسية . وبالتالي فإن دورة التفاعلات تكون كما يلي , حيث تكون الحرارة في الباطن كافية لجمع 3 ذرات في آن واحد :
ونتابع السلسلة الإندماجية حيث تتكدس العناصر على شكل طبقات بعضها فوق بعض حسب الأثقل .
يتواجد السيليكون في مركز الباطن النجمي والذي يجد له الفرصة كي يواصل التفاعل ليكون الحديد كآخر مطاف لسلسلة التفاعلات حيث تصل حرارة مركز الباطن حوالي 2 مليار كلفن . طبعاً الباطن الحديدي لا يتوفر في نجوم الفئة الشمسية لعدم توفر الحرارة العالية الآنفة الذكر , وعليه يستطيع نجم مثل الرجل تكوين اللب الحديد في فترة قياسية تصل إلى عشرة ملايين سنة فقط والذي يعود سببه لما يلي :
* تأمين تواصل سلسلة التفاعلات بسبب الحرارة في باطن النجم .
* العناصر الأثقل من الهيدروجين والهيليوم تحتاج إلى طاقة أكبر لمواصلة التفاعل .
عندما يستطيع السيليكون في باطن النجم من الوصول إلى الحديد بفعل الحرارة والضغط النووي المطبق , تكون النهاية قد إقتربت منذرة بفاجعة كبيرة سوف تحل بالنجم ككل . حيث أن ذرة الحديد من أقوى الذرات من ناحية الإرتباط النووي وبالتالي تصل سلسلة التفاعلات النووية الإندماجية إلى نهاية المطاف مع تكوّن الحديد .
عند نفاذ أغلب الوقود النووي , يبدأ النظام الهيدروستاتيكي لجملة النجم بالإنهيار والتداعي شيئاً فشيئاً , فتكون المبادرة الأن في صالح قوى الثقالة لتتغلب على القوى النووية الحاصلة بفعل التفاعل النووي الشديد . إلا أن هذا الإنهيار لن يكون سجالاً كما حصل مع النجوم الصغيرة بل سوف يتواصل سحق باطن النجم للداخل إلى أن يصل نجم الرجل لما يقارب قطر الأرض .
تكون الكثافة المادية لباطن النجم تعادل المليار غرام في البوصة الواحدة ويكون الحقل الثقالي للب المنخسف نحو الداخل أعظمياً , لدرجة تكون قوة الثقالة قادرة على سحق اللب الحديدي أكثر إذ لا توفر حتى الفراغ المادي الذي بين النوى الموجبة الشحنة والمدارات الإلكترونية السالبة في ذرات الحديد . فتتداخل الإلكترونات مع البروتونات في نواة ذرة الحديد , فيحدث تعادل فريد من نوعه للشحنة بينهما لتكوين النترونات ذات الشحنة المحايدة , والنتيجة نجم النتروني .
لا تتحول النجوم في نهاياتها إلى نجوم نترونية إلا بتوفر كتلة نجمية تنحصر بين 5M - 10M حيث تكون قوى الثقالة لكتلة النجم كافية لسحق النجم نحو الداخل . وفي لحظات قصيرة جداً من الزمن يتداعى باطن النجم إلى الداخل ويتقلص ليصل إلى قطر لا يتجاوز 10 كيلومترات فقط لكنه يحوي من الكتلة تقريباً كامل كتلة النجم العملاق منذ بدء حياته . وأترك إليك عزيزي القارئ تخيل مقدار الكتلة المادية التي تصل إليها النجوم العملاقة في نهاياتها , أما الطبقات الخارجية فأصبحت دون دعامات فتهوي هي الأخرى نحو الكتلة النترونية الكبيرة بشكل عنيف ومتسارع نظراً للحقل الثقالي الذي نشأ من داخل باطن النجم فيسخّن إرتطام الطبقات الخارجية باللب النيوتروني فترتفع الحرارة إلى مليارات الدرجات ويتعاظم الضغط أكثر , وكردة فعل عظمى يدفع اللب ماحوله إلى الخارج نحو الفضاء محدثاً أقوى إنفجار يمكن أن يحدث في الكون وهو المستعر الفائق Supernova .
السوبر نوفا
يطلق إنفجار كوني مثل السوبرنوفا طاقة عظيمة أكبر من التي ولّدها النجم نفسه خلال حياته كلها , حيث تعادل الطاقة المتحرر من السوبرنوفا طاقة مئة نجم مثل الشمس . ولايتبقى من النجم العملاق إلا رفات متطاير في الفضاء الكوني على مسافات مختلفة حيث تندفع بسرعة 10.000 كيلو متر / ثانية في سديم يمتد بشكل مركزي غي منتظم , ويصل إمتداده بعد سنة كاملة من هذا الحادث إلى حوالي 0.05 سنة ضوئية .
لو حدث فعلاً هذا مع نجم رجل الصياد Rigel لأمكننا رؤية هذا الإنفجار دون الحاجة لأجهزة رصد دقيقة , فالعين المجردة تكفي إذ أنك أيها القارئ سوف تكون قادر على رؤية لمعان السوبرنوفا من بعد 900 سنة ضوئية في وضح النهار كنجم لامع وساطع . ويستمر هذا اللمعان ليل نهار في نفس المكان لمدة شهر أو أقل ثم يخبوا تدريجياً ليصبح بالكاد أن نراها حتى بمنظار 10X50M , لكن في التلسكوب يكون المنظر أكثر جمالاً , وذلك بالنظر إلى السوبرنوفا .
الصورة على اليسار تشير للنجم SN1987 , والصورة على
اليمين تبين إنفجار نفس النجم من نوع السوبرنوفا عام 1987م
من الصعب أن نحصي مخلفات السوبرنوفا , فهي كثيرة ومتعددة . عناصر ثقيلة , غازات متناثرة , كتل صخرية كل ذلك سوف يهيء الفرصة لأجيال نجمية لاحقة وقد تنشأ بواسطة ركامات الصخور الكواكب السيارة . ذكر في القسم الأول من سلسلة الموت التراجيدي للنجوم الكونية أنه في عام 1054 م حدث إنفجار من نوع السوبرنوفا وقد تمكن علماء العرب و الصينيون من تسجيله في كتبهم وهو سديم السرطان . يبعد هذا السوبرنوفا 6500 سنة ضوئية وهو مدون في فهرس مسييه Messier بالرمز M1 وقد رصد بالعين المجردة لمدة إسبوعين في وضح النهار ثم خبأ بالتدريج , ليشاهد اليوم بالتلسكوب كما يلي :
حيث يتكون هذا السديم بالأساس من غبار وغازات وهذه الجسيمات تشع طيفاً متصل بجميع الدرجات كما النجوم , وهي من النوع القصير جداً مثل أشعة إكس X وأشعة غاما ? . أيضاً يطلق سديم السرطان موجات راديوية غزيرة وذات طابع نبضي غريب جداً , وقد فسر هذا النبض لإلكترونات متسارعة بسرعات هائلة داخل السحابة ويصاحب تحركها إشعاعاً . وهذا الإشعاع يسمى الإشعاع اللا حراري nonthermal radiation حيث تتوقف خصائصه على تسارع الإلكترونات وليس على درجة الحرارة .
تصور الأن إن إنفجار نجم عملاق كالرجل على بعد 900 سنة ضويئة ماذا عساه أن يفعل ؟ وكيف سوف يبدو من سماء الأرض ؟
ربما قد حدث الإنفجار وهو الآن في طريقه إلينا وقد يصل في أي لحظة زخم السوبرنوفا أو ربما لم يحدث بعد , لكن حتى لو حدث الإنفجار في اللحظة التي أكتب بها المقال فسوف لن نراه إلا بعد 900 سنة .
بنية النجم النتروني
يعتبر النجم النتروني الدليل الوحيد على تحديد نقطة الإنفجار الهائل السوبرنوفا في الفضاء حيث يبقى في مكانه بعد أن لفظ المواد التي حوله عن طريق السوبرنوفا . وهو نجم شبه عاتم له كثافة مادية من الكبر بحيث قد لا يتحملها الخيال , ويتكون بالكامل من النترونات وقطره قد لا يتجاوز بالكاد بضع آلاف من الأميال لكنه يبقى محتفظاً بمعظم كتلة النجم الأصلية .
إن رصد نجم نتروني بشكل مباشر أمر يكاد يكون مستحيلاً , إذ أن رصد مثل هذه الأجرام يتم بالأسلوب غير المباشر وذلك عن طريق تتبع نبضات ضوئية صادرة عنه بشكل دوري غاية في الإنتظام . وهذا ما كشف عنه في منتصف سديم السرطان , حيث يحوي هذا السديم نجماً نترونياً نابضاً بشكل سريع . وقد عُزي هذا السلوك بسبب الحقل المغناطيسي الذي تولده الكتلة العظيمة للنجم إذ يصل شدة الحقل النغناطيسي المتولد حول هذا الجرم بما يعادل التريليون مرة من الحقل المغناطيسي الأرضي . فبمرور الإلكترونات المتسارعة قرب خط الحقل المغناطيسي المولد بجوار النجم تسلك سلوك حلزوني وتشكل مجتمعة حزماً مضيئة على شكل مخروط ضوئي له طرفان . وبالتالي لا نرى من النجوم النترونية إلا تلك التي تتوجه حزمها نحو الأرض فحسب , وهكذا يدور النجم وتدور معه هذه المخاريط الضوئية بشكل متناوب كالمنارة .
أما من الناحية التشريحية فيتكون النجم من :
* غلاف جوي رقيق يبلغ سماكته بضع مئات من الأمتار .
* قشرة رقيقة من الحديد تبلغ سماكتها بضع مئات من الأمتار تقع تحت الغلاف الجوي .
* باطن النجم وهو بحر أو سائل من النترونات يقع مباشرة أسفل قشرة الحديد وهذا السائل يتميز بخاصية فرط السيولة super fluidity .
في النهاية قد يبقى النجم النتروني على حاله هذه إلى ما شاء الله في مثواه الأخير إذ أنه في حال ثابتة ومستقرة , لكن إذا كانت كتلة النجم الأصلي تبلغ 10M فإن نهاية مغايرة تنتظر النجم حيث يتحول النجم النتروني إلى الثقب الأسود Black Hole , والذي لا يسعني المجال هنا لإستعراض خصائص هذا الجرم العجيب . وقد يحالفني الحظ في مقال مستقل لمناقشة ما هو الثقب الأسود كمقبرة سوف لن تسلم من روحه الشريرة الأجسام الكونية المجاورة أوالتي تمر بجواره .
نــمر أحمد مهــنا
m_nemer@hotmail.com
[ العودة للصفحة الرئيسية ]
الجمعية الفلكية الأردنية (جفأ)، جميع الحقوق محفوظة. لمزيد من المعلومات يرجى إرسال بريد إلكتروني أو مراسلة الجمعية على العنوان التالي: ص.ب. 141568، عمّان 11814، الأردن
