اقرأ في هذا المقال
كيف يكون الغلاف الجوي حول النجوم؟
لتفسير الطيف النجمي كمياً يلزم معرفة التباين في درجة الحرارة والكثافة مع العمق في الغلاف الجوي للنجم، وفيما يلي بعض مبادئ النظرية العامة:
- يعتمد تدرج درجة الحرارة في الغلاف الجوي للنجم على طريقة نقل الطاقة إلى السطح، طريقة واحدة لنقل الطاقة من باطن النجم إلى سطحه هي عن طريق الإشعاع.
- يتم امتصاص الفوتونات المنتجة في اللب بشكل متكرر وإعادة إطلاقها بواسطة الذرات النجمية وتنتشر تدريجياً على السطح.
- الطريقة الثانية هي عن طريق الحمل الحراري وهي آلية غير إشعاعية تتضمن تصاعداً فيزيائياً للمادة كما هو الحال في قدر الماء المغلي.
- بالنسبة للشمس على الأقل هناك طرق للتمييز بين آلية نقل الطاقة، تظهر صور قرص الشمس أن مركز القرص أكثر إشراقاً من الطرف.
- يعتمد الاختلاف في السطوع على الطول الموجي للإشعاع المكتشف، فهو كبير في الضوء البنفسجي وصغير في الضوء الأحمر ويكاد يتلاشى عند تصوير الشمس في الأشعة تحت الحمراء، ينشأ سواد هذا الطرف؛ لأن الشمس تصبح أكثر سخونة تجاه نواتها.
- في مركز القرص يتم تلقي الإشعاع من طبقات أعمق وأكثر سخونة (في المتوسط) بدلاً من الطرف، ويمكن إثبات اعتماد درجة الحرارة على العمق على أنه يتوافق مع نقل الطاقة بالإشعاع وليس بالحمل الحراري عند الأقل في الطبقات الخارجية من الغلاف الجوي للشمس.
- تعتمد كمية سواد الأطراف في أي نجم على درجة الحرارة الفعالة للنجم وعلى التباين في درجة الحرارة مع العمق، يُعد سواد الأطراف في بعض الأحيان عاملاً مهماً في تحليل الملاحظات النجمية، على سبيل المثال يجب أن يؤخذ في الاعتبار لتفسير منحنيات الضوء المرصودة لثنائيات الكسوف بشكل صحيح، وهنا تشير النتائج إلى نقل الطاقة عبر الإشعاع.
- يُفترض أن تكون طبقات النجم العادي في حالة توازن ميكانيكي أو هيدروستاتيكي، هذا يعني أنه في كل نقطة في الغلاف الجوي يدعم الضغط وزن الطبقات التي تعلوها، بهذه الطريقة يمكن إيجاد علاقة بين الضغط والكثافة لأي عمق معين.
البنية الداخلية للنجوم التي تسبح في الفضاء:
تعتمد نماذج البنية الداخلية للنجوم (خاصة درجة حرارتها وكثافتها وتدرجات ضغطها تحت السطح) على المبادئ الأساسية للنجوم وتكوينها، من المهم بشكل خاص أن تأخذ حسابات النموذج في الاعتبار التغيير في بنية النجم مع مرور الوقت، حيث يتم تحويل إمدادات الهيدروجين تدريجياً إلى الهيليوم، لحسن الحظ بالنظر إلى أنه يمكن القول بأن معظم النجوم أمثلة على الغاز المثالي، فإن العلاقات بين درجة الحرارة والكثافة والضغط لها بساطة أساسية، وفيما يلي أهم المبادئ التي تعتمد عليها البنية الداخلية للنجوم:
- توزيع المادة: يمكن اشتقاق العديد من العلاقات الرياضية من القوانين الفيزيائية الأساسية بافتراض أن الغاز مثالي وأن النجم له تناظر كروي، يتم استيفاء كلا هذين الافتراضين بدرجة عالية من الصلاحية، الافتراض الشائع الآخر هو أن الجزء الداخلي من النجم في حالة توازن هيدروستاتيكي، غالباً ما يتم التعبير عن هذا التوازن كعلاقة بسيطة بين تدرج الضغط والكثافة.
العلاقة الثانية تسمى معادلة الحالة وهي تعبر عن علاقة صريحة بين درجة حرارة وكثافة وضغط المادة الداخلية للنجم، المادة غازية بالكامل في جميع أنحاء النجم باستثناء بعض الأجسام المتطورة للغاية؛ أي إنها تخضع لقانون الغاز المثالي، في مثل هذه الغازات المحايدة يكون الوزن الجزيئي 2 للهيدروجين الجزيئي و4 للهيليوم و56 للحديد وهكذا، ومع ذلك في الجزء الداخلي من نجم نموذجي تضمن درجات الحرارة المرتفعة والكثافة فعلياً تأين كل المادة تقريباً (يقال إن الغاز هو بلازما في الحالة الرابعة للمادة).
في ظل هذه الظروف لا تنفصل جزيئات الهيدروجين إلى ذرات مفردة فحسب بل تتفكك الذرات نفسها (متأينة) إلى البروتونات والإلكترونات المكونة لها، ومن ثم فإن الوزن الجزيئي للهيدروجين المتأين هو متوسط كتلة البروتون والإلكترون، أي 1/2 على مقياس كتلة الذرة، على النقيض من ذلك تساهم ذرة الهيليوم المتأينة بالكامل بكتلة 4 مع نواة هيليوم (جسيم ألفا) بالإضافة إلى إلكترونين من كتلة ضئيلة، وبالتالي فإن متوسط وزنها الجزيئي هو 4/3.
وكمثال آخر تساهم ذرة نيكل متأينة بالكامل في نواة كتلتها 58.7 زائد 28 إلكتروناً ثم وزنه الجزيئي يساوي 2.02، نظراً لأن النجوم تحتوي على نسبة كبيرة من الهيدروجين والهيليوم المتأينين تماماً في جميع أنحاء الداخل، فإن متوسط كتلة الجسيمات (μ) هو كتلة (وحدة) البروتون مقسومة على عامل مع مراعاة التركيزات حسب وزن الهيدروجين والهيليوم والأيونات الثقيلة، وفقاً لذلك يعتمد الوزن الجزيئي بشكل حاسم على التركيب الكيميائي للنجم خاصة على نسبة الهيليوم إلى الهيدروجين، وكذلك على المحتوى الكلي للمادة الثقيلة.
- مصدر الطاقة للنجوم: إن الخاصية الأساسية للنجوم هي أن طاقتها الإشعاعية يجب أن تنبع من مصادر داخلية، بالنظر إلى الطول الكبير للوقت الذي تتحمله النجوم (حوالي 10 مليارات سنة في حالة الشمس) يمكن إثبات أنه لا يمكن للتأثيرات الكيميائية أو الجاذبية أن تنتج الطاقات المطلوبة، بدلاً من ذلك يجب أن يكون السبب هو الأحداث النووية، حيث يتم دمج نوى أخف لتكوين نوى أثقل يدعى منتج ثانوي لا مفر منه وهو الطاقة.
في داخل النجم تتحرك الجسيمات بسرعة في كل اتجاه بسبب درجات الحرارة المرتفعة الموجودة، في كثير من الأحيان يتحرك البروتون بالقرب من النواة ليتم التقاطه ويحدث تفاعل نووي، فقط البروتونات ذات الطاقة العالية للغاية (عدة أضعاف متوسط الطاقة في نجم مثل الشمس)، هي القادرة على إنتاج أحداث نووية من هذا النوع، الحد الأدنى لدرجة الحرارة المطلوبة للاندماج هو ما يقرب من 10 مليون كلفن نظراً؛ لأن طاقات البروتونات تتناسب مع درجة الحرارة فإن معدل إنتاج الطاقة يرتفع بشكل حاد مع زيادة درجة الحرارة.
تكوين النجوم وتطورها:
في جميع أنحاء مجرة درب التبانة (وحتى بالقرب من الشمس نفسها) اكتشف علماء الفلك النجوم التي تطورت جيداً أو تقترب من الانقراض أو كليهما، بالإضافة إلى النجوم العرضية التي يجب أن تكون صغيرة جداً أو لا تزال في طور التكوين، إن التأثيرات التطورية على هذه النجوم لا يمكن إهمالها حتى بالنسبة لنجم متوسط العمر مثل الشمس، يجب أن تُظهر النجوم الأكثر ضخامة تأثيرات أكثر إثارة؛ لأن معدل تحويل الكتلة إلى طاقة أعلى.
بينما تنتج الشمس الطاقة بمعدل حوالي (2 erg) لكل جرام في الثانية يمكن لنجم التسلسل الرئيسي الأكثر سطوعاً أن يطلق طاقة بمعدل يزيد بنحو 1000 مرة، وبالتالي فإن التأثيرات التي تتطلب مليارات السنين ليتم التعرف عليها بسهولة في الشمس قد تحدث في غضون بضعة ملايين من السنين في النجوم شديدة الإضاءة والكتلة، لا يمكن للنجم العملاق مثل (Antares) أو نجم التسلسل الرئيسي الساطع مثل (Rigel) أو حتى نجم أكثر تواضعاً مثل (Sirius) أن يتحمل ما دامت الشمس صامدة، ويجب أن تكون هذه النجوم قد تشكلت مؤخراً نسبياً.
