متــى تنتــــــهي الشمــــــس.؟

كوبرنيكوس · #1 11-01-2006, 13:55

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 . 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 :

طول مداها الكبير جداً.
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 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 .
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 .
يتبع.

كوبرنيكوس · #2 11-01-2006, 14:02

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 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 .
>>الكاتب: نمر أحمد مهنا.

(اعذروني على الإطالة).