جاهز / تلخيص وحدة تطور النجوم والكون مع حل الانشطة للصف الثاني عشر

النجم: هو كرة كبيرة من الغاز تتمكن عن طريق تفاعلات نووية بسيطة تحدث في قلبها من إنتاج و"صب" الحرارة والأشعة في الفضاء المحيط به.

س: ولكن من أين تأتي النجوم؟ ثم الى متى يمكنها انتاج الطاقة هكذا و"صبها" في الفضاء؟
o توجد في مناطق كثيرة من الفضاء سحب كبيرة من الغاز والغبار المبعثر في الفضاء.
o تولد النجوم بالتشكل تدريجيا من تلك الغازات (90 % هيدروجين H و10 % هيليوم He عادة)
o كلما زادت كتلتها زاد تجاذبها الداخلي وتقلصها وتكوّرت.
o وإذا كانت للكتل الغازية حركة دورانية حول نفسها (دوران إجمالى للسحابة الأصلية مثلا)، فإن النجم المتشكل سيمتلك حركة دورانية حول نفسه.
o وربما صاحب ـ في بعض الأحيان ـ تكوين النجم هذا تشكيل كتل أصغر تدور حول النجم، أي كواكب، كما كان الحال بالنسبة لمجموعتنا الشمسية.
o ومع تقلص الكرة الغازية تحت تأثير الجاذبية يزداد تصادم الذرات فيما بينها، مما يولد طاقة حرارية، فترتفع درجة حرارة الكرة داخليا.
o وعندما تصل درجة الحرارة في المركز الى حوالى 15 مليون درجة سيليزية، تنطلق عمليات "الانصهار النووي"، حيث تندمج أنوية الهيدروجين مع بعضها لتكوّن أنوية هيليوم، منتجة طاقة حرارية كبيرة.
o ولهذه الطاقة المنتجة أثران أساسيّان على النجم،
أولا: تطبيق ضغط للخارج على طبقات النجم يعاكس ويلغي الضغط الجاذبي نحو المركز، فيبقي النجم في حالة توازن ما دامت التفاعلات النووية مستمرة،
وثانيا: انتقال الحرارة عبر الطبقات نحو الخارج وظهور الإشعاع الضوئي عند السطح.
ويظل نجم عادي هكذا في حالة توازن يشع لملايين أوبلايين السنين.
o ويعتمد العمر الإجمالى لنجم ما على كتلته بشكل أساسي.
o كلما كانت كتلة النجم أكبر كانت درجة حرارته أعلى وكلما استهلك وقوده الهيدروجيني في وقت أقصر، والعكس بالعكس.
o وتتميز النجوم بكتل وأحجام مختلفة (فمنها العادي، مثل الشمس، ومنها القزم وومنها العملاق) وألوان مختلفة.
o وترتبط ألوان النجوم بدرجة حرارة سطحها بشكل مباشر .

2. تطور النجوم

1- في النجوم الصغيرة أو المتوسطة:
• تتمكن التفاعلات النووية من حرق الهيدروجين ثم الهيليوم وأحيانا الكربون والأكسجين (الناتجين عن حرق الهيليوم).
• ولكنها تتوقف عند ذلك .فتتمكن الجاذبية من تقليص الكرة الغازية بلا مقاومة، الى أن يصبح قطر النجم بضعة آلاف كيلومتر بعد أن كان يزيد عن المليون، أي أن الحجم صار مليون مرة أصغر مما كان!

• هذه الحالة النجمية تدعى "القزم الأبيض"، الذي يشع بلمعان أقل بعشرة آلاف مرة من لمعان نجم عادي.
• وفي الأخير سيضمحل هذا الإشعاع الضئيل هو الآخر فيصير النجم قزما أسود.
• وهذا هو مصير نجمنا الشمس، التي تعتبر نجما أصغر قليلا من المتوسط.

2-أما في النجوم الكبرى فإن التفاعلات النووية ستتواصل بعد حرق الكربون والأكسجين لتشمل العناصر الأثقل حتى الحديد.
• حينها تعجز التفاعلات النووية عن إنتاج طاقة أو ضغط نحو الخارج فتقوم الجاذبية بضغط الكرة وتقليصها.
• ولكن هذا التساقط السريع يحدث صدمة عند المركز تنتج موجة عكسية عنيفة خارجية تؤدي الى تفجير طبقات النجم في ما يسمى "السوبرنوفا" (أو "المستعر الأعظم")،
• حيث يلمع النجم خلال أيام كما لو كانت عشرات البلايين من النجوم مجتمعة في نقطة واحدة!
• ولن يبقي من ذلك الانفجار إلا كرة صغيرة (ذات قطر لا يزيد عن بضعة كيلومترات فقط)،
• هذه الكرة إما أن تكون "نجما نوترونيا" أو "ثقبا أسود"، حسب كتلة النجم الأصلي المنفجر.

3- الثقوب السوداء :

o هي بقايا نجوم ثقيلة استهلكت وقودها النووي تماما فانهارت تحت تأثير جاذبيتها الذاتية ثم انفجرت فخلّفت كرة صغيرة وكثيفة جدا.
o فإذا كانت كتلتها (المتبقية) تقارب كتلة الشمس فإن قطرها لن يزيد عن حوالى 6 كم،
o أي أن كثافتها أعلى من كثافة الحديد بـ1015 مرة، أي مليون بليون مرة!
o ولذا فإن جاذبية الثقب الأسود قوية الى حد أن لا شيء، ولا حتي أشعة الضوء، تستطيع أن تفلت من قبضتها.
o وما دام الضوء لا يخرج منها، فإنها سوداء بالضرورة.
o وكل ما يقترب منها تبتلعه بعد أن يكون دخل في دوامة متسارعة، الى ان يتفكك ويختفي داخل الثقب.
o ولا أحد يعلم ما يحدث داخل هذا الجرم الغريب.
o إذن تستحيل رؤية الثقوب السوداء،
o وإنما نستنتج وجودها في بقعة ما من الفضاء من خلال تأثيرها الجاذبي على الأجرام القريبة منها.
o فمثلا إذا كان ثمة نجم عادي تنطلق منه المادة في "رياح" نجمية فإن المادة ستنجذب نحو الثقب الأسود (كما في الشكل المرفق) فيدخل في الدوامة المتسارعة ذات الحرارة المتزايدة (بسبب احتكاك المادة مع بعضها البعض).
o ولأن درجة الحرارة في المنطقة المحاذية للثقب تصل الى 100 بليون درجة، فإنها تشع في المجال السيني والغاما.
o وإن التقاط والكشف عن هذه الأشعة السينية والغاما بالأجهزة الموضوعة على متن أقمار صناعية مخصصة لذلك (إذ الأشعة السينية والغاما لا تخترق الغلاف الجوي فلا يمكن التقاطها من على الأرض)
o وتحديد الخاصيات المميزة لتلك الأشعة هو ما يؤكد لنا وجود ثقب أسود في تلك البقعة.
نشاط: تأكد من فهمك الصحيح
1-هل ستنفجر الشمس في نهاية حياتها؟ ما هي مدة حياتها الإجمالية والمتبقية؟
ج: لن تنفجر الشمس في آخر حياتها لأنها خفيفة نسبيا، فالشمس تعتبر نجما صغيرا أو متوسطا. وستتحول في آخر حياتها (بعد نفاذ وقودها، الهيدروجين والهيليوم في قلبها الحار) الى "قزم أبيض" ضئيل الحجم وباهت (قليل اللمعان) جدا. وسيحصل ذلك بعد نحو 5.5 بليوم سنة من الآن، فتكون الشمس قد عاشت 10 بليون سنة إجمالا

2-ما هي القوة التي تجعل الثقب الأسود لا يسمح للضوء من الخروج منه؟
ج: القوة التي تجعل الثقب الأسود لا يسمح للضوء من الخروج منه هي الجاذبية، التي تصل شدتها في مثل هذا الجسم الثقيل والصغير الى مستويات تسمح لها بـ"الإمساك" بجسيمات الضوء…

3-كيف نقوم بالكشف عن الثقوب السوداء في الفضاء… الأسود؟
ج: يتم بالكشف عن الثقوب السوداء في الفضاء الأسود من خلال آثارها على الأجرام الأخرى والمادة التي تتساقط عليها فتنتج إشعاعات مميزة…

4. توسع وتطور الكون
Ø .كانوا يعتقدون أن الأرض كروية وهي مركز الكون، حيث تدور الأجرام المتحركة (الشمس والقمر، والكواكب) حولها، وتقع النجوم الثابتة في كرة خلف الكل.

Ø هل تكون الأرض في غير المركز؟ هل "يعقل" ذلك؟

Ø ظل التصور "الجيو-مركزي" (الذي يضع الأرض في المركز) سائدا مدة ألفي سنة أو أكثر، الى أن نشر الفلكي القس البولندي نيكولاس كوبرنيكس Nicolaus Copernicus كتابه سنة 1543 (وهو على فراش الموت)، وفيه بيّن بالأدلة والحجج الفلكية أن الأرض لا يمكن أن تكون هي المركز.

Ø ففي ليلة من سنة 1572 لاحظ براهي ما بدا أنه نجم جديد ساطع في برج "ذات الكرسي" Cassiopeia،
Ø ونعلم اليوم أن ذلك "النجم الجديد" إنما كان "سوبرنوفا" (انفجار نجم)،
وقد شوهدت أخرى مماثلة من طرف كبلر سنة 1604.
5 . الانفجار العظيم:
• كان الفلكي القس البلجيكي جورج لوميتر Georges Lemaitre أول من اقترح فكرة "الانفجار العظيم"، أو بالأحرى "الذرة الإبتدائية" كما سماها في الأول
• اقترح لوميتر أن الكون بدأ كـ"ذرة" طاقوية كثيفة وحارة انفجرت فجعلت الفضاء كله يمتد الى اليوم وربما الى الأبد.

• وفي أواخر الأربعينيات وضع الفيزيائي الروسي – الأمريكي جورج غاموف George Gamow نظرية "الانفجار العظيم" بشكل دقيق ومفصل، واستنتج جملة من التنبؤات حول خاصيات الكون تم تأكيدها تجريبيا واحدة واحدة .

• ففي عام 1965 شرع الفيزيائيان آرنو بنزياس Arno Penzias و روبرت ولسون Robert Wilson في البحث عن الموجات الراديوية (أو بالأحرى ميكروموجية) الصادرة من أنحاء الكون المختلفة فالتقطوا موجات ذات خاصيات مطابقة لما تنبأ به غاموف.

• وكان ذلك تأكيدا تجريبيا رصديا هاما لفكرة خلق الكون من نقطة كثيفة وحارة.

• وفي العقد الأخير قام قمران صناعيان للوكالة الفضائية الأمريكية NASA، الأول يدعى COBE سنة 1992 والثاني يسمى WMAP سنة 2022، برصد وتحليل ذلك الإشعاع الكوني المتبقي من الإنفجار العظيم، وسمح ذلك للعلماء بالتعرف بدقة على خاصيات الكون وتطوره منذ الأزمنة الأولى, وقد توصل WMAP الى تحديد عمر الكون بدقة أعلى بكثير مما كان يعرف من قبل: 13.7 بليون سنة!
• ونريد التأكيد على ضرورة التفريق بوضوح بين عمر الكون وأعمار كل من الأرض والشمس والقمر والبشرية.

عمر الكون 13.7 بليون سنة
عمر المجرة 10-12 بليون سنة
عمر الشمس 4.6 بليون سنة
عمر الأرض 4.5 بليون سنة
عمر القمر 4.5 بليون سنة
عمر البشرية 7-10 مليون سنة

نشاط :
تخيّل أن عمر الكون (منذ خلقه الى اليوم) هو يوم واحد، فمتى تكونت الأرض ومتى ظهرت البشرية؟

الجواب : عمر الأرض هو 4.5 أجزاء من 13.7 من عمر الكون، إذن بالنسبة ليوم واحد فهو 7 ساعات و53 دقيقة.
أما عمر الإنسانية فهو 7-10 أجزاء من 13700 من عمر الكون، إذن فالبشرية قد ظهرت على "الساعة" الحادية عشرة و59 دقيقة (ليلا) أي دقيقة واحدة قبل منتصف الليل!