الأقزام البيضاء ونهايات النجوم في الفضاء

ما المقصود بالأقزام البيضاء من النجوم؟

تعتمد المراحل النهائية في تطور النجم على كتلته وزخمه الزاوي، وما إذا كان عضواً في ثنائي قريب، يبدو أن جميع النجوم تتطور خلال مرحلة العملاق الأحمر إلى حالتها النهائية على طول مسار مباشر، وفيما يلي أهم المعلومات عن تطور النجوم لتصبح قزمة بيضاء:

• في معظم الحالات خاصةً بين النجوم ذات الكتلة المنخفضة ينجرف الغلاف الخارجي المنتفخ للنجم ببساطة إلى الفضاء، بينما يستقر اللب على شكل قزم أبيض، حيث يتطور النجم (النواة حقاً) على الفرع الأفقي لمخطط (Hertzsprung-Russell) إلى ألوان أكثر زرقة وإضاءة أقل.

• في حالات أخرى حيث تكون كتلة النجم عدة كتل شمسية أو أكثر قد ينفجر النجم كمستعر أعظم، حتى بالنسبة لهذه النجوم الأكثر ضخامة، ومع ذلك إذا كانت الكتلة المتبقية في اللب أقل من 1.4 كتلة شمسية (حد Chandrasekhar)، فإن البقايا النجمية ستصبح قزماً أبيض، تصبح المادة في مثل هذا القزم غازاً متحللاً، حيث يتم تجريد جميع الإلكترونات من الذرات الأم.

• الغاز في هذه الحالة الغريبة هو موصل شبه مثالي للحرارة ولا يخضع لقوانين الغاز العادية، يمكن ضغطه إلى كثافات عالية جداً وتكون القيم النموذجية في حدود 10 مليون جرام لكل سم مكعب (أي حوالي 10 ملايين ضعف كثافة الماء)، لم يعد مثل هذا القزم الأبيض لديه أي مصدر للطاقة ويستمر ببساطة في البرودة ليصبح في النهاية قزماً أسود.

• ناتج الطاقة من قزم أبيض صغير جداً بحيث يمكن للجسم أن يستمر في السطوع بشكل أساسي عن طريق إشعاع طاقته المخزنة بعيداً حتى لا يُترك أي شيء تقريباً ليبعث، كم من الوقت قد يستغرق هذا غير معروف ولكن يبدو أنه سيكون في حدود تريليونات السنين.

• عادةً ما تكون المرحلة الأخيرة من هذا النوع من النجوم ذات الكتلة المنخفضة عبارة عن كرة ليست أكبر بكثير من الأرض، ولكن بكثافة ربما تبلغ 50000 ضعف كثافة الماء.

• مقدر للشمس أن تموت كقزم أبيض ولكن قبل حدوث ذلك سوف يتطور إلى عملاق أحمر، حيث يبتلع عطارد والزهرة في هذه العملية.

• في الوقت نفسه سوف ينفخ الغلاف الجوي للأرض ويغلي محيطاته، مما يجعل الكوكب غير صالح للسكنى، لن يمر أي من هذه الأحداث لعدة مليارات من السنين.

أول قزم أبيض من النجوم:

أول قزم أبيض تم التعرف عليه كان رفيق سيريوس، تم اكتشافه في الأصل من خلال جاذبيته على النجم الأكبر والأكثر إشراقاً، ولم يُلاحظ إلا في وقت لاحق كجسم خافت (يسمى الآن Sirius B)، وهو أكثر خفوتاً بمقدار 10000 مرة من (Sirius) ويسمى الآن (Sirius A) أو 500 مرة أخف من الشمس، كتلته أقل بقليل من كتلة الشمس وحجمها أقل قليلاً من حجم الأرض.

يتوافق لونه وطيفه تقريباً مع النوع الطيفي (A)، حيث تبلغ درجة حرارة سطحه حوالي 25000 كلفن، وبالتالي يجب أن يكون انبعاث الطاقة لكل وحدة مساحة من السطح أكبر بكثير من انبعاث الشمس، نظراً لأن سيريوس (B) باهتة جداً يجب أن تكون مساحة سطحها، وبالتالي حجمها صغيراً جداً ومتوسط ​​كثافتها حوالي 100000 ضعف كثافة الماء.

قزم أبيض آخر معروف يسمى (BD + 16 ° 516) مقترن بقزم (K0 V) أكثر برودة في نظام الكسوف، النجمان اللذان يفصل مركزهما بمقدار 2.092.000 كم (حوالي 1300.000 ميل) يدوران حول بعضهما البعض لمدة 12.5 ساعة، ينتج القزم الأبيض إثارة واضحة وتأثيرات تسخين في الغلاف الجوي للنجم من النوع (K)، تبلغ كتلة القزم الأبيض حوالي 0.6 كتلة الشمس لكن قطره لا يتجاوز 16000 كم (10000 ميل) وبالتالي تبلغ كثافته حوالي 650.000 ضعف كثافة الماء.

ما هي النجوم النيوترونية؟

عندما تقع كتلة اللب المتبقي بين 1.4 وحوالي 2 كتلة شمسية يبدو أنه يصبح نجماً نيوترونياً بكثافة تزيد عن مليون مرة حتى من قزم أبيض، وفيما يلي ذكر أهم صفات النجوم النيوترنية:

• يمتلك النجم النيوتروني كتلة كبيرة معبأة داخل كرة يبلغ قطرها 20 كيلومتر (12 ميل) وله كثافة يمكن أن تصل إلى كثافة القيم النووية، والتي تبلغ حوالي 100 تريليون (1014) ضعف متوسط ​​كثافة المادة الشمسية أو من الماء.

• يُتوقع أن يكون لهذا النجم قشرة صلبة بلورية، حيث ستبقى نوى ذرية عارية في شبكة صلابة وقوة أكبر بنحو 18 مرتبة من الفولاذ، تحت القشرة الكثافة مماثلة لتلك الموجودة في النواة الذرية؛ لذلك تفقد النوى الذرية المتبقية فرديتها، حيث تتكدس نواتها معاً لتشكيل سائل نووي.

• على الرغم من توقع النجوم النيوترونية في ثلاثينيات القرن الماضي لم يكتشف المراقبون صدفة مصدراً لاسلكياً يصدر نبضات ضعيفة حتى أواخر الستينيات من القرن الماضي، واستمر كل منها حوالي 0.3 ثانية مع فترة ثابتة بشكل ملحوظ تبلغ حوالي 1.337 ثانية، وسرعان ما تم العثور على أمثلة أخرى لمثل هذا الجسم الذي أطلق عليه اسم النجم النابض (نجم راديو نابض).

• تعرف مجموعة كبيرة من الأدلة الآن النجوم النابضة على أنها نجوم نيوترونية ممغنطة دوارة، كل الطاقة المنبعثة في النبضات مستمدة من تباطؤ دوران النجم، ولكن يتم إطلاق جزء صغير فقط في شكل نبضات تردد الراديو، يذهب الباقي إلى نبضات يتم ملاحظتها في أماكن أخرى من الطيف الكهرومغناطيسي وإلى الأشعة الكونية وربما يذهب بعضها إلى انبعاث طاقة الجاذبية أو موجات الجاذبية.

على سبيل المثال لم يُرصد النجم النابض في مركز سديم السرطان وهو الأكثر شهرة في المستعرات الأعظمية الحديثة، أي ليس في الترددات الراديوية فحسب بل أيضاً في الترددات الضوئية والأشعة السينية، حيث تُصدر 100 و10000 مرة على التوالي بنفس القدر من الإشعاع الموجود في الطيف الراديوي.

• يوفر تباطؤ دوران النجم النابض أيضاً الطاقة اللازمة لحساب الانبعاث غير الحراري أو السنكروترون من سديم السرطان، والذي يتراوح من الأشعة السينية إلى أشعة جاما.

الإشعاع النابض مستقطب خطياً ودائرياً ويمكن فهمه من منظور نجم دوار له مجال مغناطيسي قوي يبلغ تريليون جاوس، (على النقيض من ذلك يبلغ المجال المغناطيسي للأرض حوالي 0.5 جاوس)، وقد تم اقتراح آليات مختلفة، حيث يمكن تسريع الجسيمات المشحونة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء نفسه، من المحتمل أن تكون معظم الأشعة الكونية المجرية (إن لم يكن كلها) مصدرها المستعرات الأعظمية وبقايا النجوم النابضة.

سجلت الملاحظات الحديثة تغيرات مفاجئة في معدلات دوران النجوم النابضة، فالنجم النابض للشلة على سبيل المثال زاد فجأة من معدل دورانه عدة مرات، يمكن تفسير مثل هذا التغيير في الفترة الزمنية (أو الخلل) إذا قام النجم النابض بتغيير نصف قطره بحوالي سنتيمتر واحد، وهذا الانكماش المفاجئ للقشرة يسمى أحياناً باسم زلزال نجمي.

من الواضح أن ظاهرة النجوم النابضة تدوم لفترة أطول بكثير من بقايا المستعرات الأعظمية المرصودة التي ولدت فيها، حيث تم فهرسة أكثر من 2500 نجم نابض وقليل منها فقط مرتبط ببقايا معروفة، ومع ذلك فمن المحتمل أن تكون إحصاءات النجوم النابضة متحيزة من حيث الملاحظة؛ لأن الإشارات الواردة من النجوم النابضة على مسافات كبيرة في المجرة تتشوه بفعل المناطق المتأينة في الفضاء بين النجوم.

أهمية الثقوب السوداء:

إذا تجاوزت بقايا المستعر الأعظم ما يقرب من كتلتين شمسيتين فإنها تستمر في الانكماش، من المتوقع أن يكون مجال الجاذبية للنجم المنهار قوياً جداً بحيث لا يمكن للمادة ولا الضوء الهروب منه، تنهار البقايا بعد ذلك إلى ثقب أسود (أي أنها تنفرد أو تتجمع كنقطة ذات حجم صفري وكثافة لانهائية يخفيها أفق حدث على مسافة تسمى نصف قطر شوارزشيلد أو نصف قطر الجاذبية، ستختفي الأجسام التي تعبر أفق الحدث أو شعاع من الضوء الموجه نحو شيء كهذا)، ثم تسحب إلى حفرة بلا قاع.

إن وجود الثقوب السوداء أمر راسخ سواء على المستوى النجمي، كما هو الحال في النظام الثنائي (Cygnus X-1) وعلى مقياس من ملايين أو بلايين الكتل الشمسية في مركز بعض المجرات مثل (M87).