دراسة جديدة تقول أن منكب الجوزاء لن ينفجر في أي وقت قريب

لقد وقفت تحت Orion The Hunter في أمسيات صافية راغبة في انفجار نجمها Betelgeuse.'هيا ، تفجير!'في أواخر عام 2019 ، شهد منكب الجوزاء حدث تعتيم غير مسبوق انخفض بمقدار 1.6 درجة إلى 1/3 أقصى سطوع له. تساءل علماء الفلك: هل كان هذا التعتيم بمثابة مقدمة للمستعر الأعظم؟ كم هو رائع من الناحية الكونية أن نشهد لحظة انفجار منكب الجوزاء. تمزق النجم في وهج من الضوء مبعثرًا بذور الكواكب والأقمار وربما الحياة في جميع أنحاء الكون. كارثة إبداعية.

فقط حوالي عشرة مستعر أعظم بالعين المجردة في كل التاريخ المسجل. يمكننا الآن إعادة النظر في السجلات الفلكية القديمة باستخدام التلسكوبات لاكتشاف بقايا المستعر الأعظم مثل اللامع SN 1006 (شوهد عام 1006 م) أدى انفجاره إلى خلق أحد ألمع الأشياء التي شوهدت في السماء على الإطلاق. لسوء الحظ، تشير أحدث الأبحاث قد ننتظر جميعًا 100000 عام أخرى حتى يظهر منكب الجوزاء. ومع ذلك ، كشفت دراسة حدث التعتيم الأخير هذا عن معلومات جديدة حول منكب الجوزاء والتي قد تساعدنا على فهم النجوم بشكل أفضل في حالة ما قبل المستعر الأعظم.

تُظهر صورة المقارنة هذه منكب الجوزاء ، قبل التعتيم غير المسبوق وبعده
ESO / M. Montargès et al.

موازنة على كتف عملاق

منكب الجوزاء ، AKA Alpha Orionis ، هو نجم أحمر خارق. اسمها مشتق من الكلمة العربية 'بات الجوز' والتي تترجم إلى 'كتف العملاق' حيث يشكل النجم الكتف الأيسر من أوريون (ربما يشار إليه بواسطة 'روي' في كتابه مونولوج 'دموع في المطر' من فيلم Bladerunner) . طوال حياتها ، النجوم في صراع لتحقيق التوازن ضد القوة الساحقة الداخلية لجاذبيتها باستخدام القوة الخارجية لطاقتهم - وهي حالة تُعرف باسم التوازن الهيدروستاتيكي . أي خلل في هذا التوازن يسبب تغيرات في النجم - بعضها مثير للبعض الآخر كارثي.

تظهر كوكبة الجبار من خلال 'هالة القمر' الناتجة عن اصطدام ضوء القمر ببلورات الجليد المرتفعة. النجم المحاط بدائرة هو منكب الجوزاء. يمكنك فقط تمييز المسحة الحمراء للنجم. ج. ماثيو سيمون

الجاذبية هي بداية النجم ونهايته. تقوم الجاذبية بسحب المادة الخام لتكوين نجم ، وغاز الهيدروجين من الفراغ بين النجوم ، وتسحقه معًا. عندما يكون الهيدروجين مضغوطًا ومسخنًا ، يشعل الاندماج النووي في قلب النجم (يتكون قلب شمسنا من 1/4 نصف قطره) الذي يشع الطاقة للخارج مقابل الطبقات الخارجية للنجم. طالما أن النجم لديه مخزون من الهيدروجين ، يمكنه تحمل وزنه وتحقيق كرة متوازنة. بمجرد نفاد الوقود ، ستعمل الجاذبية أيضًا على إنهاء حياة النجم بشكل ساحق. تعتبر النجوم في مرحلة حرق نواة الهيدروجين من حياتها في 'التسلسل الرئيسي' - وهو مصطلح من مخطط Hertzsprung-Russel (HR) (أدناه).

تعديل مخطط الموارد البشرية بواسطة مستخدم ويكيبيديا

يساعدنا مخطط الموارد البشرية في تحديد مرحلة حياة نجم معين بناءً على حجمه (السطوع - المحور Y) ولونه أو نوعه الطيفي (يتم تعيينه بواسطة فئة الحرف - المحور X). ستقع جميع النجوم التي تحرق الهيدروجين على ' على شكل S 'تسلسل رئيسي' مركزي على هذا الرسم التخطيطي. فكر في الأمر على أنه سنوات النضوج الأولى للنجم. تقع شمسنا على التسلسل الرئيسي كنجمة من الفئة G 'القزم الأصفر'. لا يزال يحرق الهيدروجين وسيستمر لبضعة مليارات من السنين (لا تدع أي شخص يبيع لك تأمين صن). ومع ذلك ، بمجرد استنفاد وقود الهيدروجين في قلب النجم ، يصبح التوازن غير متوازن. يتباطأ تدفق الطاقة وتبدأ الجاذبية في سحق قلب النجم. هذا هو المكان الذي يحصل فيه النجم على حياة ثانية - وإن كان ذلك في شكل جديد.

يؤدي تكسير اللب إلى زيادة درجة حرارة اللب. تشع درجة الحرارة المتزايدة إلى الخارج لإمدادات الهيدروجين التي بقيت في طبقات خارج القلب والتي كانت في السابق شديدة البرودة لتحقيق الاندماج. تشتعل قشرة الهيدروجين هذه خارج اللب الآن ، لكن حرق هذه الطبقة الخارجية الضحلة يؤدي إلى تضخم النجم. عندما تتوسع الطبقات الخارجية للخارج ، يكون سطح النجم الآن بعيدًا عن اللب وينتشر على مساحة أكبر مما يؤدي إلى تبريده وتحويله إلى اللون الأحمر (تصبح النجوم أكثر احمرارًا عندما تكون أكثر برودة ، وتكون أكثر زرقة عندما تكون أكثر سخونة) . النجم 'يتطور' إلى العملاق الأحمر (أو العملاق الأحمر الفائق للنجوم الساطعة الضخمة جدًا). إذا كان النجم ضخمًا بدرجة كافية ، فإن ارتفاع درجات الحرارة في اللب سيؤدي أيضًا إلى إشعال الهيليوم الذي يتراكم كمنتج ثانوي لحرق الهيدروجين. بمجرد أن يصبح الهيليوم 'الرماد' ، أصبح الآن مصدر وقود ثانوي 'طارئ' في المعركة الخاسرة ضد الجاذبية.

بقايا سديم النجم الذي أنتج سوبر نوفا 100 الذي شاهده مرصد شاندرا للأشعة السينية. وقع الانفجار على بعد 7200 سنة ضوئية من الأرض. شوهد في جميع أنحاء النبات في عام 1006 بعد الميلاد ، وهو يصنع أحد ألمع الأشياء التي شوهدت في تاريخ البشرية.
ج. مؤسسة سميثسونيان

بصفتك عملاقًا أحمر ، ينتقل موقع النجم في مخطط الموارد البشرية إلى إحدى العائلات 'العملاقة' التي تنمو عندما ينبع التفرع من 'S' من التسلسل الرئيسي. أصبح الآن أكثر إشراقًا (أعلى على المحور ص) وأحمر (في أقصى اليمين على المحور س). هذه هي الطريقة التي يمكننا بها التمييز بين فئة M Red Dwarf من فئة M Red Giant. قد يحتل القزم الأحمر والعملاق الأحمر نفس الموضع على المحور X من حيث اللون ، لكن العملاق سيكون أكثر إشراقًا وبالتالي أعلى على المحور Y في أحد الفروع العملاقة. الخارقون الأحمر مثل منكب الجوزاء هم في المراحل الأخيرة من حياتهم. هذا لا يعني بالضرورة أنهم عاشوا حياة طويلة - فقط أنهم في المراحل الأخيرة من حياتهمملكالحياة. عاش منكب الجوزاء جزءًا بسيطًا من عمر شمسنا على الرغم من كونه أضخم بكثير. قد يعتقد المرء أن النجم الأكبر = وقود أكثر للاحتراق لكن النجوم الأكبر تحرق الشمعة من كلا الطرفين. للحفاظ على التوازن ضد كتلتها الهائلة ، فإنها تحترق من خلال الهيدروجين بشكل أسرع بكثير من نظيراتها ذات الكتلة الأقل.

نجم التنفس

لكن منكب الجوزاء لم يحقق توازنًا مستقرًا جديدًا بعد. النجم ينبض في السطوع ولذلك يُصنف على أنه 'نجم متغير'. يتيح فهم سبب أو 'وضع' التباين للباحثين تحديد العديد من الخصائص الفيزيائية الرئيسية لمنكب الجوزاء - تركيز أحدث إصدار بقلم الدكتورة ميريديث جويس من الجامعة الوطنية الأسترالية ، والدكتور شينغ تشي ليونغ من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، والدكتور شياكي كوباياشي الأستاذ المساعد في جامعة هيرتفوردشاير.

منكب الجوزاء لا يزال خافتا! - فيديو الكون اليوم من قبل فريزر كاين

تنوع النجم هو إما خارجي أو جوهري. التباين الخارجي هو تغيير في السطوع بسبب مصدر خارجي. كسوف النجوم الثنائية هو تغير خارجي شائع حيث يحجب نجم واحد الضوء من النجم المرافق. التباين الجوهري ناتج عن شيء ما داخل النجم نفسه. سعى البحث الأخير حول منكب الجوزاء ، المستوحى من التعتيم الدرامي للنجم في أواخر عام 2019 ، إلى تحديد ما إذا كان الحدث جوهريًا أم خارجيًا بطبيعته. سمحت الملاحظات المحدثة للنبضات المنتظمة لمنكب الجوزاء للباحثين بتأكيد أن السبب الرئيسي للتغير هو شيء يسمى آلية كابا الذي يزعزع توازن النجم بشكل أساسي مما يتسبب في منكب الجوزاء 'يتنفس' حيث يتضخم ويتقلص في الحجم والسطوع.

الشكل 1 من Joyce et al 2020: 'أنفاس' منكب الجوزاء على مدى عشرين عامًا. لاحظ الانخفاض غير المسبوق نحو عام 2019. C. ESO / M. Montargès et al. - الوصف من قبل المؤلف

إذن ما هي آلية كابا؟ النجوم مصنوعة من الغاز المتأين. عندما تقوم بتسخين غاز الهيدروجين داخل النجم ، فإن الإلكترونات تتمزق من ذرات الهيدروجين - عملية التأين - والتي تحول النجم إلى حساء متماوج من الإلكترونات الطائرة الحرة تسمى البلازما. تشكل البلازما 99٪ من الكون المرئي (نحن مواد البلازما غير المتأينة هي في الواقع ندرة الفضاء).

ومع ذلك ، فإن التأين ليس منتظماً من خلال نجم كامل ويوجد في عدة طبقات مختلفة من التأين الجزئي. السمة الرئيسية لجزئياالهيدروجين المتأين هو أنه عند ضغطه يصبح الهيدروجين أكثر تعتيمًا مقارنة بالطبقات المحيطة. يمكن لهذه الطبقات المعتمة من الهيدروجين المتأين جزئيًا عزل الطاقة وحبسها بينما تحاول الطاقة الانتقال من اللب إلى السطح. في نجوم التسلسل الرئيسي ، تريد تلك الطاقة المحبوسة دفع تلك الطبقات المعتمة إلى أعلى ، ولكن هناك قدرًا كبيرًا من كتلة النجم الكثيفة أعلاه بحيث يتعذر تحريكها. في نهاية المطاف ، تجد الطاقة المحاصرة طرقًا أخرى إلى السطح ، أو يتساوى التأين غير المتكافئ في تموج النجم.

لماذا يتوسع Red Giants - Universe Today Video بواسطة فريزر كاين

ومع ذلك ، مع توسع النجم إلى عملاق أحمر ، ترتفع هذه الطبقات المعتمة من التأين الجزئي بالقرب من سطح النجم حيث يمكن أن تتحرك بحرية أكبر. مع مزيد من حرية الحركة ، عندما يتم احتجاز طاقة كافية أسفل الغاز العازل المعتم ، تُدفع الطبقة لأعلى وتدفع ضد سطح النجم مما يؤدي إلى تضخم النجم أكثر. مع توسع الطبقة ، تصبح أقل انضغاطًا ، وأقل تعتيمًا ، وأكثر شفافية للطاقة مما يسمح للطاقة المحاصرة بالهروب عبر السطح إلى الفضاء. بعد فقدان الطاقة ، تفقد الطبقة زخمها وتعود نحو النجم حيث تصبح مرة أخرى مضغوطة ومعتمة تحت سطح النجم. فكر في الأمر مثل صمام البخار في الغلاية. يتراكم بخار كافٍ ، ويدفع الصمام لأعلى لفتحه ، ثم يخرج البخار ، ثم يسقط الصمام ويغلق. مع كل نبضة يتغير النجم في نصف القطر والسطوع. وظيفة هذا الغاز المتأين جزئيًا المعتم في إحداث النبض هي آلية كابا. إليك كيفية عمل الدورة:

أ) التطور إلى العملاق الأحمر يطلق آلية كابا

يتمدد النجم إلى العملاق الأحمر حيث يحترق اللب من خلال وقود الهيدروجين
يؤدي التمدد إلى ارتفاع طبقات التأين الجزئي إلى أعماق ضحلة داخل النجم
عندما يتمدد سطح النجم إلى الخارج ، يتم حمله بالزخم بعد توازن جاذبية النجم حيث يتباطأ ويسقط مرة أخرى إلى الداخل.

ب) دورة آلية كابا

يضغط النجم المتساقطة طبقات من الهيدروجين المتأين جزئيًا بالقرب من سطح النجم. يؤدي الضغط إلى تحويل هذه الطبقات إلى طاقة محاصرة أكثر تعتيمًا تحتها
يستمر النجم في الانكماش حتى يصل عتامة الطبقات المتأينة جزئيًا إلى الحد الأقصى. في النهاية ، يتم حجز طاقة كافية تحت الطبقات المعتمة للتغلب على زخم الانهيار.
هذا هو المكان الذي يكون فيه النجم هو الأكثر إحكاما في نصف القطر ويصبح الأكثر سخونة والألمع في الدورة
تتوقف الطبقة المعتمة المضغوطة الآن عن السقوط وتبدأ في عكس الاتجاه نحو السطح المدفوع للخارج ضد الجاذبية بواسطة الطاقة المحبوسة تحته.
تندفع الطبقة غير الشفافة المتوسعة ضد سطح النجم مما يؤدي إلى تضخم النجم. تصبح الطبقات غير الشفافة المتوسعة أقل انضغاطًا وأكثر شفافية تطلق الطاقة المحاصرة. عندما يتمدد النجم بشكل كبير ، سيكون الأبرد والأكثر قتامة في الدورة
تفقد الطبقات الخارجية للنجم الزخم في النهاية وتتراجع إلى الداخل لتبدأ الدورة مرة أخرى في الخطوة 4)

تخيل أنك تحوم بالقرب من سطح أحمر فائق الحجم بملايين المرات من حجم الشمس ومشاهدة طبقاته الخارجية تتوسع وتتقلص. يمكن أن يتحرك سطح النجم لمسافة تصل إلى كيلومتر واحد في الثانية! عملاق يأخذ نفسًا عملاقًا كل عام.

استخدم الباحثون نماذج الكمبيوتر لتأكيد أن آلية كابا مسؤولة عن دورة أو فترة 416 يومًا في سطوع Betelguese. ومع ذلك ، لا يمكن للنموذج الافتراضي إعادة إنتاج فترة 185 يومًا ثانية وفترة أطول تبلغ 2365 يومًا لاحظها فريق البحث جسديًا في النجم نفسه. من الممكن أن تتفاعل آلية كابا مع الخصائص الجوهرية الأخرى للنجم لإنتاج وضع آخر في تنوع النجم. لذلك استنتج الباحثون أن منكب الجوزاء هو 'نجم متغير مزدوج النمط'.

يتم تصنيف فترة أقصر 185 يومًا على أنها 'overtone' في نبضات النجم. كلمة 'نغمة' مناسبة لأن التموجات عبر النجم هي في الأساس موجات صوتية في البلازما المتماوجة. يشار إلى فترة 2365 يومًا باسم LSP أو الفترة الثانوية الطويلة. أصل هاتين الفترتين الأخريين ليس واضحًا تمامًا. يشجع الباحثون على تطوير نماذج حاسوبية أكثر تعقيدًا في المستقبل لاستكشاف فترات النجم الأخرى بشكل أكبر.

أحاول إظهار آلية كابا باستخدام مصباح الحمم التابع لناسا ج. ماثيو سيمون

هناك منطقة ضيقة جدًا في مخطط الموارد البشرية حيث توجد نجوم متغيرة تُعرف باسم 'شريط عدم الاستقرار'. من الممكن أن تتطور بعض النجوم مع تقدم العمرعبرهذا الشريط حتى يصل إلى نقطة توازن جديدة على الجانب الآخر حيث يتضاءل وضع النبضات أو يتم تضخيم النبضات حتى ينفجر النجم طبقاته الخارجية تمامًا.

نظرًا لأن منكب الجوزاء لا يزال ينبض ، قرر الباحثون أن النجم من المحتمل أن يكون في مرحلة مبكرة من احتراق الهيليوم من انتقاله إلى عملاق أحمر ، ومن المحتمل أن يستمر في الاحتراق لمدة 100000 عام أخرى حتى تفوز الجاذبية تمامًا وينهار النجم إلى مستعر أعظم.

الشريط الضيق 'عدم الاستقرار' حيث توجد النجوم المتغيرة. ج. مستخدم ويكيبيديا مرة أخرى

درب من الدومينو النجمية

تسمح نبضات منكب الجوزاء للباحثين باشتقاق معلومات أخرى حول الخصائص العامة للنجم مثل نصف قطر النجم. نحن نعلم أن النبضات تنتقل عبر النجم والتي تستغرق وقتًا معينًا تشير إليه فترة النبض. يمكن للباحثين بشكل عام حساب السرعة التي تنتقل بها النبضات (سرعة 'الصوت' نظرًا لكثافة منكب الجوزاء) واستخدام توقيت الفترة لتحديد المسافة التي قطعتها خلال النجم. باستخدام هذه الحسابات ، تم تحديث منكب الجوزاء إلى 764 نصف قطر شمسي (764 مرة نصف قطر الشمس) حوالي 66٪ من التقديرات السابقة.

من المعروف أن نصف قطر منكب الجوزاء يصعب حسابه لأنه على عكس شمسنا ، أحد أكثر كروي تمامًا كائنات في النظام الشمسي ، فإن الغلاف الضوئي أو سطح منكب الجوزاء 'غامض' تمامًا. العمالقة الحمراء تشبه 'السحب' النجمية أكثر منها الكرات. يتميز سطح منكب الجوزاء أيضًا بانتفاخات تمتد مئات الملايين من الكيلومترات وهي تتدفق في عملاقها الأحمر. في حين أن نصف القطر الجديد للنجم أصغر مما كان يُعتقد في الأصل ، فإن سطحه سيظل يصل إلى ما بعد المريخ وإلى حزام الكويكبات إذا تم وضعه في مركز نظامنا الشمسي.

منكب الجوزاء كبير جدًا وقريب جدًا لدرجة أنه أحد النجوم القليلة التي يمكننا بالفعل حلها في شكل كروي إلى جانب شكلنا. هذه واحدة من أعلى الصور دقة حتى التي تم التقاطها من Betelgeuse. لاحظ كيف أن النجم أقل كرويًا وأكثر 'ضبابية / بلوبي' مميزة للعمالقة الحمراء. (رصيد الصورة: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / E. O’Gorman / P. Kervella)

مثل دومينو علم الفلك ، توفر كل إحصائية نقوم بتحديثها حول منكب الجوزاء رؤى أساسية للآخرين. باستخدام نصف قطر محدث ، يمكننا إعادة حساب المسافة التي تفصلنا عن منكب الجوزاء بناءً على مدى 'اتساعها' في سمائنا. مع نصف قطر أصغر ، يجب أن يكون منكب الجوزاء أقرب مما كان يعتقد من قبل ، مما يجعل Red Supergiant حوالي 530 سنة ضوئية. بينما أقرب بنسبة 25٪ من الحسابات القديمة ، لا يزال النجم بعيدًا جدًا لقتلنا إذا انفجر. جيد ان تعلم.

أخيرًا ، وزن الباحثون العملاق المجاور لنا. لدينا إحساس عام بالمعدل الذي يفقد فيه منكب الجوزاء الكتلة في الفضاء - حاليًا حوالي كتلة شمسية واحدة كل مليون سنة أو نحو ذلك - في الكون. بالتجربة عن طريق المحاكاة مع 'سلف' مختلف أو بداية الكتل عندما كان منكب الجوزاء نجمًا متسلسلًا رئيسيًا شابًا ، تستمر المحاكاة في الوقت المناسب حتى يعرض النجم نبضات آلية كابا. يقلب منكب الجوزاء المقياس عند 16.5-19 كتلة شمسية (كتلة شمسنا) بكتلة سلف تبلغ 18-21. توفر هذه المحاكاة أيضًا دليلًا على أن منكب الجوزاء من المحتمل أن يكون عمره 7-11 مليون سنة فقط. تخيل أن - منكب الجوزاء يبلغ من العمر ألفًا من عمر نجمنا وهو على وشك الانفجار. النجوم مثل منكب الجوزاء هي شرارة عابرة في الزمن الكوني.

نور من خلال الظلام

مع كل المعلومات الجديدة حول منكب الجوزاء ، لا يزال لدينا لغز. ما سبب حدث التعتيم في أواخر عام 2019؟ إذا كان منكب الجوزاء لا يزال أمامه آلاف السنين قبل موته الرائع ماذا حدث؟ إجابتان محتملتان: مزيج من أنماط التباين المتعددة في منكب الجوزاء المتوافقة مع تحسين تعتيم التباين المعتاد. مثل إسقاط أحجار متعددة في بركة ، في بعض الأحيان يمكن أن تندمج الأمواج لتكوين موجات أكبر ، أو في الواقع تلغي بعضها البعض. ربما شهدنا هذا النوع من الأحداث. أو ، سبب آخر محتمل ، تحركت سحابة ضخمة من الغبار بيننا وبين منكب الجوزاء وحجبت مؤقتًا بعض ضوء النجم - وهو حدث تعتيم خارجي وليس جوهريًا.

في حين أن شمسنا قد شهدت على الأرجح العديد من الانفجارات النجمية خلال رحلتها الطويلة حول مجرة درب التبانة ، فإن المستعر الأعظم مذهل بالنسبة لأعمار البشر المحدودة. سيكون انفجار منكب الجوزاء ساطعًا بما يكفي للإلقاء الظلال في الليل . حتى أنه سيكون مرئيًا خلال النهار. سوف يتلاشى الانفجار ببطء في الأشهر المقبلة. بعد عام ، اختفى كتف الجبار من العين المجردة. من المحتمل ألا أكون موجودًا من أجل ذلك ، لكن شخصًا ما سيفعل ذلك. قد نعتقد أننا غير دائمين إلى حد ما ، ولكن السماء نفسها أيضًا - النجوم تتلاشى في ضباب المكان والزمان مثل 'الدموع تحت المطر'.

صورة المستعر الأعظم 1994D في المجرة NGC 4526. المستعرات الأعظمية شديدة السطوع ، حتى أنه يمكن رؤيتها وهي تنفجر في مجرات بعيدة - على بعد 55 مليون سنة ضوئية. من الممكن أن يتفوق مستعر أعظم واحد على المجرة المضيفة بأكملها - وهب أخير من المجد. ج. ناسا / هابل / وكالة الفضاء الأوروبية