الكتلة تقرر كل شيء
النجم كرة غاز تتماسك بجاذبيتها الذاتية ويمنعها الضغط في باطنها الحار من الانهيار. وتأتي حرارته من الاندماج النووي في اللب. وكتلة النجم عند تكوّنه، مع أثر صغير لتركيبه، تحدد مدى سخونة لبه، ومدى سطوعه، وطول عمره، وطريقة موته.
مخطط هرتزشبرونغ-راسل
نحو 1910 رسم إينار هرتزشبرونغ وهنري نوريس راسل النجوم بحسب سطوعها مقابل لونها. في النسخة الحالية تكون الإضاءة على المحور الرأسي، بمقياس لوغاريتمي والشمس عند 1، وحرارة السطح على الأفقي، والأسخن على اليسار. وترتبط إضاءة النجم ونصف قطره وحرارته بـ
L = 4πR²σT⁴، أو L ÷ L☉ = (R ÷ R☉)² × (T ÷ 5,772 K)⁴
فالنجوم في أعلى اليمين باردة لكنها ساطعة، أي أنها هائلة (عمالقة وعمالقة فائقة)، والتي في أسفل اليسار حارة لكنها خافتة، أي أنها ضئيلة (أقزام بيضاء). ونحو 90% من النجوم تقع في شريط قطري، النسق الأساسي.
النسق الأساسي
نجم النسق الأساسي يدمج الهيدروجين إلى هيليوم في لبه. وهي أطول مراحل حياته، وموقعه في الشريط يعتمد على كتلته: النجوم الضخمة حارة وزرقاء وساطعة؛ والصغيرة باردة وحمراء وخافتة. وتزداد الإضاءة كثيرًا مع الكتلة، تقريبًا L ≈ M^3.5 للنجوم المماثلة للشمس والأثقل. ووقود النجم متناسب مع كتلته، فيسير عمره تقريبًا كـ
t ≈ 10¹⁰ سنة × M ÷ L
مع M وL بالوحدات الشمسية: للنجوم الثقيلة وقود أكثر، لكنها تحرقه أسرع بكثير.
نجوم مثل الشمس
- دون العملاق والعملاق الأحمر: حين ينفد هيدروجين اللب، ينتقل الاندماج إلى قشرة حوله. فينكمش اللب ويسخن، وتنتفخ الطبقات الخارجية وتبرد. ويصعد النجم فرع العمالقة الحمراء ويبلغ مئة ضعف نصف قطر الشمس أو أكثر وبضعة آلاف ضعف إضاءتها.
- احتراق الهيليوم: نحو 100 مليون K يبدأ اللب بدمج الهيليوم إلى كربون وأكسجين، دفعة واحدة في النجوم الأقل من نحو 2 كتلة شمسية (وميض الهيليوم). وينكمش النجم إلى عملاق أصغر ومستقر نحو مئة مليون سنة.
- فرع العمالقة المقارب: حين ينفد هيليوم اللب، يحترق الهيليوم والهيدروجين في قشرتين. فينتفخ النجم أكثر ويفقد كتلة في رياح قوية.
- السديم الكوكبي: تبتعد الطبقات الخارجية غلافًا متوهجًا، يضيئه اللب الحار المكشوف، بضع عشرات آلاف السنين.
- القزم الأبيض: يبرد اللب، بحجم الأرض تقريبًا وبلا اندماج، ببطء مليارات السنين. ولا يمكن لأي قزم أبيض أن يزن أكثر من حد شاندراسيخار، نحو 1.4 كتلة شمسية.
النجوم الضخمة
النجوم الأكبر من نحو 8 كتل شمسية تواصل دمج عناصر أثقل، الكربون والنيون والأكسجين والسيليكون، في قشور كالبصلة، عمالقةً فائقة حمراء أو زرقاء. وكل مرحلة أقصر من سابقتها: يحترق السيليكون في يوم تقريبًا. ويتوقف الاندماج عند الحديد، الذي لا يعطي طاقة باندماجه. فينهار لب الحديد في أقل من ثانية إلى نجم نيوتروني قطره نحو 20 km، ويفجّر الارتداد وسيل النيوترينوات بقية النجم في مستعر أعظم بانهيار اللب، يسطع مدةً كمليار شمس. وفوق نحو 20 إلى 25 كتلة شمسية قد ينهار اللب أكثر ليكوّن ثقبًا أسود. وأضخم النجوم تفقد طبقاتها الخارجية في الرياح قبل ذلك وتصبح نجوم وولف-رايه حارة.
النجوم الصغيرة
الأقزام الحمراء الأقل من نحو 0.35 كتلة شمسية حَمْلية بالكامل، فتخلط هيدروجينًا جديدًا في اللب وتحرق معظمه. وتعيش تريليونات السنين. ولم يتسع الوقت لأي منها لمغادرة النسق الأساسي في 13.8 مليار سنة مرت منذ الانفجار العظيم؛ وتتنبأ النماذج بأنها ستسخن لتصبح «أقزامًا زرقاء» ثم تخبو أقزامًا بيضاء من الهيليوم.
مثال محلول
- نجم بـ 10 كتل شمسية: L ≈ 10^3.5 ≈ 3,200 L☉، فـ t ≈ 10¹⁰ × 10 ÷ 3,200 ≈ 3 × 10⁷ سنة. وتعطي النماذج النجمية الكاملة نحو 2 × 10⁷: القاعدة التقريبية تصيب رتبة المقدار.
- عملاق أحمر: نجم بـ L = 2,500 L☉ وT = 4,200 K نصف قطره R = √2,500 ÷ (4,200 ÷ 5,772)² = 50 ÷ 0.53 ≈ 94 R☉، قريب من حجم مدار الأرض، الذي يبلغ 215 R☉.
- قزم أبيض: ستترك الشمس قزمًا أبيض من نحو 0.109 × 1 + 0.394 ≈ 0.5 كتلة شمسية، نحو 1.4% من نصف قطرها الحالي، مرة ونصفًا حجم الأرض تقريبًا.
- القاعدة تفشل مع الأقزام الحمراء: لـ 0.1 كتلة شمسية، L ≈ 0.0012 L☉ وتعطي القاعدة نحو 9 × 10¹¹ سنة؛ وتعطي النماذج عدة تريليونات، لأن القاعدة تفترض أن هيدروجين اللب وحده يحترق.
كيف تستخدم المحاكاة
في محاكي تطور النجوم ومخطط هرتزشبرونغ-راسل يمكنك تجربة ما يلي:
- تتبّع الشمس: تصعد فرع العمالقة الحمراء، وتنزل إلى احتراق الهيليوم، وتصعد فرع العمالقة المقارب، وتعبر إلى السديم الكوكبي وتنزل إلى القزم الأبيض.
- قارن الزمن في النسق الأساسي لـ 0.5 و1 و2 و10 كتل شمسية.
- اختر 15 كتلة شمسية: عملاق فائق أحمر، ومستعر أعظم، ونجم نيوتروني. ثم 40: نجم وولف-رايه وثقب أسود.
- اختر 0.1: تشير النتائج إلى أن كل النجوم بهذا الصغر لا تزال في النسق الأساسي.
- شاهد القزم الأبيض يبرد ويخبو نازلًا في المخطط، واقرأ عمره.
ما يفترضه النموذج
- نجوم منفردة بتركيب الشمس، بلا دوران وبلا رفيق.
- مسارات مبسطة: كل مرحلة قطعة مستقيمة في المخطط بين نقاط مبنية على نماذج منشورة؛ والمسارات الحقيقية تتعرج وتكوّن حلقات وترتد.
- أعمار النسق الأساسي مأخوذة من جدول مبني على نماذج نجمية؛ وتتبع الإضاءة في النسق الأساسي قانون كتلة-إضاءة على أجزاء.
- كتل الأقزام البيضاء تتبع مطابقة تجريبية، 0.109M + 0.394 كتلة شمسية، وتبرد وفق قانون ميستل البسيط.
- حدود ثابتة: تحت 0.5 كتلة شمسية، قزم أبيض من الهيليوم؛ حتى 8، قزم أبيض؛ حتى 25، نجم نيوتروني؛ فوق 25، ثقب أسود.
- النجوم النيوترونية والثقوب السوداء لا توضع في المخطط: صغيرة جدًا، وفي البداية حارة جدًا، فلا تتسع لها.
الحالات الحدية
- 0.1 كتلة شمسية: يعيش النجم مئات أضعاف العمر الحالي للكون؛ ومراحله اللاحقة تنبؤات لم يرصدها أحد.
- قرب 8 كتل شمسية: قد تنتهي النجوم أقزامًا بيضاء ثقيلة من الأكسجين والنيون أو في مستعر أعظم أضعف بأسر الإلكترونات؛ وتتحول المحاكاة عند خط حاد.
- نحو 20 إلى 25 كتلة شمسية: لا يُعرف بيقين هل يكوّن اللب نجمًا نيوترونيًا أم ثقبًا أسود، وقد تنهار بعض النجوم بانفجار ضئيل أو بلا انفجار.
- 40 كتلة شمسية: كتلة الثقب الأسود تعتمد على ما فقده النجم في الرياح، ويُقدَّر هنا بربع كتلته الأولية.
- مرحلة المستعر الأعظم: لا يُعرض النجم؛ فهو لبضعة أسابيع يسطع كمليار شمس.
أين يتوقف النموذج عن الصلاحية
- النجوم الثنائية. لنحو نصف النجوم الشبيهة بالشمس، ولمعظم الضخمة، رفقاء. ونقل الكتلة يجرّد نجومًا ويغذّي أخرى، والقزم الأبيض الذي يكسب كتلة من رفيق قد ينفجر مستعرًا أعظم من النوع Ia، مصير لا يستطيع نموذج النجم الواحد عرضه.
- فقدان الكتلة والدوران. مقدار ما تفقده النجوم من كتلة في الرياح، وسرعة دورانها، غير مؤكدين ويغيّران كثيرًا مسارات النجوم الضخمة ومصيرها.
- التركيب. النجوم الفقيرة بالعناصر الثقيلة، كنجوم الكون المبكر، أسخن وتفقد كتلة أقل وتترك ثقوبًا سوداء أكبر.
- المسارات الحقيقية. وميض الهيليوم، والحلقات الزرقاء لنجوم الكتلة المتوسطة، والنبضات الحرارية في فرع العمالقة المقارب، كلها مُنعّمة هنا.
- النجوم الضخمة جدًا. النجوم من نحو 130 إلى 250 كتلة شمسية، إن احتفظت بمعظم كتلتها، قد تُدمَّر بالكامل في مستعرات عظمى بعدم استقرار الأزواج، فلا تترك شيئًا.
- تبريد الأقزام البيضاء يتباطأ أكثر حين يتبلور الباطن؛ وقانون ميستل لا يأخذ ذلك في الحسبان.
أدوات ذات صلة
لون النجم يأتي من حرارته، كما يبيّن محاكي إشعاع الجسم الأسود؛ ويتتبع كيف يعمل الاحتباس الحراري ضوء الشمس حتى الأرض. ويُظهر محاكي المدارات كواكب ونجومًا تتحرك تحت الجاذبية، ويتعامل محوّل الترميز العلمي مع الأعداد الهائلة، ويحوّل محوّل درجة الحرارة الكلفن.