الفصل الثالث

النجوم ونشأة الكون

   قال تعالى: فَلاَ أُقْسِمُ بِمَوَاقِعِ النُّجوُمِ (75) وَإِنَّهُ لَقَسَمٌ لَّوْ تَعْلَمُونَ عَظِيمٌ (76) الآيتان (75-76) من سورة الواقعة.

     بعض النجوم تبعد عنّا مسافات يستغرق الضوء في قطعها ملايين السنين، وأحياناً آلاف ملايين السنين، (تذكّرْ  أنّ سرعة الضوء في الفراغ 3× 810 متر/ ثانية). ومع ذلك استطاع العلماء قياس المسافات الهائلة. فكيف تمكنّوا من ذلك؟ وكيف توصّلوا إلى أن النجوم  تعاني سُنّة التغير والتبدل؟ وما مراحل تطورّها وهرمها؟ هذه الأسئلة وسواها سيجيب عنها هذا الفصل.    

ويتوقع منك بعد دراسته أن:

1- تستخدم المقياس القَدْري لقياس شدة إضاءة النجوم.

2- تميز بين النجوم، بناءً على شدة إضاءاتها وفق أقدارها.

3- تميز بين القَدْر الظاهري والقَدْر المطلق.

4- توضّح كيف يقيس العلماء أبعاد النجوم من معرفة أقدارها.

5- تصف العلاقة بين أطياف النجوم ودرجات حرارتها  ومكوّناتها.

6- تصف النجوم وَفْقَ أطيافها.

7- تستخدم مخطط هيرتزبرنغ- رسل في الاستدلال على تطوّر النجوم.

8- توضح مراحل التطوّر النجمي.

9- تقارن بين أنواع النجوم المتغيرة.

 
أولاً: ماهية النجوم
 

 

 

     تظهر النجوم في السماء ليلاً على شكل نقاط مضيئة، حتى لو رصدت بأضخم المقاريب، لبعدها الهائل عنا ومن ثم فلا يمكن رؤية تفاصيلها. لكن كيف يمكن معرفة ما يجري في النجوم؟ وممَّ تتكون؟

      إن مصدر معلوماتنا عن النجوم هو إشعاعاتها الكهرومغناطيسية المنبعثة عتها، ولهذا طوَّر العلماء الوسائل العلمية والتكنولوجية التي تستند إلى  خصائص الموجات الكهرومغناطيسية بشتى أطيافها؛ إذ يتم رصد إشعاعات النجوم على شكل أطياف أو صور فوتوغرافية، ومن ثم يجري تحليلها وفق مبادئ فيزيائية من علماء فلك ويتوصلون إلى معرفة كثير من خصائص النجوم مثل سرعة دورانها ومكوناتها وكتلتها وحجومها وبعدها عنا ودرجة حرارة سطوحها، ومجالاتها الجاذبية والمغناطيسية وغيرها من الخصائص.

     ويقصد بالنجم، أنه جِرْمٌ سماوي تبلغ درجة الحرارة والضغط في باطنه مقداراً كبيراً، مما يؤدي إلى توليد كميات هائلة من الطاقة(أو سبق وتولدت هذه الطاقة في الماضي). وبطبيعة الحال فإن ذلك يعني أن النجوم جرْمٌ مضيء بذاته(أو كان كذلك في الماضي).

ثانياً: شدة إضاءة النجوم Brightness of stars
 

 


    إذا نظرت إلى قبة السماء ليلاً فإنك تلاحظ تفاوت النجوم في شدة إضاءاتها، وتمثل شدة إضاءاتها الظاهرية المجموع الكلي للطاقة الضوئية الواصلة إلى عين الراصد من النجم.

    وقد صنِّفت النجوم حسب شــدة إضاءاتهـا الظاهـرية إلى درجــات سـميت أقـداراً(Magnitudes )، وأول مــن قـــام بتصنيــفــهـا الفلــكـي اليونـــانـي هيـبــارخــوس(Hipparchus) معتمداً على عينة المجردة؛ إذ أعطى  أشدها إضاءة قدراً واحداً، والتي تلي في الشدة القدر الثاني ثم الثالث وأخيراً أعطى النجوم  الباهتة التي تكاد لا ترى القدر السادس. ونظراً لأن تحديد هذه الأقدار يتم من خلال ظهورها لنا بهذا الحال، فقد أطلق عليها الفلكيون اسم القدر الظاهري(Apparentmagnitude).

  وفي القرن التاسع عشر استخدم الفلكيون الوسائل التكنولوجية الحديثة، مثل الصور الفوتوغرافية في إجراء تدريج بسيط على  تدريج هيبارخوس، إذْ لاحظوا أن شدة إضاءة نجم من القدر الأول يساوي 100 ضعف شدة إضاءة نجم من القدر السادس، ولكن ما النسبة في شدة الإضاءة إذا كان الفرق في القدر يساوي واحداً؟

      لمعرفة  ذلك علينا أن نجد معامل الضرب لكل درجة في التدريج عندما ننتقل من القدر السادس إلى القدر الأول على النحو الآتي:

     نفرض أن (ن) معامل الضرب المطلوب:

     ن 5 = 100

   

     =2.512  2.5

      بمعنى أن كل درجة في التدريج أكبر 2.5مرة من الدرجة التي تليها. 

مثال (1) 


 

     احسب نسبة شدة إضاءة نجم من القَدْر الأول قياساً إلى شدة إضاءة نجم من القَدْر الرابع.

الحل:

      الفرق في القدر يساوي3؛ فإن نسبة شدة الإضاءة يساوي:

             2.5×2.5×2.5=15.63  16

    قام الفلكيون المعاصرون أيضاً بتوسعة تدريج هيبارخوس، ليشمل الأجرام السماوية شديدة الإضاءة كالشمس والقمر، بدءاً من الصفر، -1،-2، وهكذا حتى  وصلوا إلى أشد الأجرام إضاءة(ظاهرياً) وهي الشمس(-26.5)، وكذلك  وسّعوا تدريج النجوم الباهتة(لا ترى بالعين  المجردة) على النحو: +7،+8،+9، وهكذا. وبذلك تمكن الفلكيون من إدراج جميع الأجرام السماوية ضمن التدريج القدري.

مثال (2) 


 

    نجم   قدره الظاهري –7.5ونجم  قدره الظاهري +15.5، احسب النسبة بين شدتي إضاءتيهما.

 

الحل:

       الفرق في القدر يساوي 23، فيمكن حساب النسبة في شدة الإضاءة على النحو:

      الفرق في القدر (23)= 3+5+5+5+5

     النسبة في شدة إضاءة نجم إلى نجم =16×100×100×100×100

                                             =1.6×910 

 
   
 لاحظ أن الفرق في الأقدار يضاف لبعضها بعضاً، بينما النسبة في شدة الإضاءة تضرب ببعضها بعضاً. ونستطيع تحديد قدر نجم ما بمعرفة قدر نجم معين عن طريق مقارنة شدة إضاءاتهما وفق المعادلة الآتية:

ثالثاً: القدر المطلق Absolute Magnitude
 

 

 

      نظراً لتفاوت أبعاد النجوم فإن الأقدار الظاهرية لا تمكننا من مقارنة شدة الاضاءة الحقيقية للنجوم(Stellar Luminosity)، أي مقدار الطاقة الاشعاعية المنبعثة من سطح النجم خلال وحدة الزمن، والسبب في ذلك تناقص  شدة إضاءاتها الظاهرية مع زيادة بعدها عنا، حسب قانون التربيع العكسي. وينص قانون التربيع العكسي (في شدة الإضاءة) على أن مقدار الطاقة الواصلة من النجم في وحدة الزمن ووحدة المساحة تتناسب عكسياً مع مربع المسافة، ويمكن التعبير عنه رياضياً كما يأتي:

             

     حيث أن:

      ش1 ، ش2 شدة الإضاءة الظاهرية للنجم على بعد ف1، ف2 بالترتيب.

      فإذا تضاعفت المسافة بيننا وبين النجم تنقص شدة إضاءته إلى الربع، وإذا أصبحت ثلاثة أضعاف تنتقص إلى  مما كانت عليه، وهكذا.
 

؟

     ما مقدار التغير في شدة إضاءة النجم؛ إذا تضاعفت المسافة إلى عشرة أضعاف؟ وإذا نقصت المسافة إلى النصف؟

    وليتسنى لنا مقارنة النجوم ببعضها بعضاً، لجأ العلماء  إلى حساب أقدار النجوم الظاهرية على بعد واحد، واتفقوا على أن يكون عشرة فراسخ فلكية* واطلقوا عليه اسم القدر المطلق ويرمز له ق م . فلو وضعت الشمس على بعد عشرة فراسخ فلكية عنا فإنها ستبدو لنا نجما خافتاً يصعب علينا رؤيته لأن قدرها المطلق  سيكون +5. أما إذا وضعنا نجم رجل الجبار (Rigel) على بعد 10 فراسخ فلكية فإن قدره سيتغير من +7 إلى صفر وبالتالي ستزداد شدة إضاءاته 630مرة.

 

؟

    ما مقدار التغير في شدة إضاءة نجم يبعد 100فرسخ فلكي عند وضعه على بعد 10 فراسخ فلكية. ثم احسب الفرق بين القدرين.

   ولايجاد العلاقة بين القدر الظاهري والقدر المطلق نربط بين قانوني؛ التربيع العكسي والعلاقة التي تربط بين شدة الإضاءة للنجم والفرق في القدر النجمي، على النحو الآتي:

   من قانون التربيع العكسي فإن العلاقة بين شدة إضاءة النجم التي تبدو لنا  (ش)، وشدة إضاءته فيما لو كان على بعد 10 فراسخ فلكية(ش10) هي:

 

    وعادة يؤخذ في الحسبان التأثير الناتج من الامتصاص بوساطة السدم الكونية والغبار الكوني والغلاف الجوي الأرضي، ومن ثم تصحح المعادلة (3) على فرض أن تأثير الامتصاص الكلي أ مقيساً بالأقدار المطلقة على النحو:

  ق م = ق + 5 – 5( لو 10 ف) - أ   

مثال (4) 


 

      جد بعد النجم الذي قََدْره الظاهري 20، وقَدْره المطلق10(اهمل تأثير الامتصاص).

الحل:     من العلاقة(3)

             

 

    
رابعاً: درجة حرارة سطوح النجوم ومكوناتها
 

 

 

    عرفت كيف يمكن حساب بعد النجم من معرفة شدة إضاءته على البعد 10 فراسخ فلكية وشدة إضاءته على البعد الذي يقع عنده النجم. أما حساب  درجة الحرارة سطح النجم(3-1) ولاحظ أن الجسم عند درجة حرارة معينة لا يشع موجة واحدة ذات  طول موجي واحد، بل يشع حزمة أو طيفاً من الموجات المتقاربة الطول تتمركز حول موجة محورية تحمل كمية من الطاقة تفوق الطاقة التي تشعها بقية موجات الطيف المنبعث من الجسم. وتسمى هذه الموجة موجة الطاقة للإشعاع(ع) عند تلك الدرجة. ويلاحظ أيضاً من الشكل (3-1)أن الطول الموجي الذي يحصل عنده أكبر انبعاث للطاقة(موجة الطاقة العظمى) تقل كلما ارتفعت درجة الحرارة. ويعطي قانون فين للإزاحة العلاقة ببين درجة حرارة الجسم المشع وبين موجة الطاقة العظمى وفق المعادلة الآتية:

؟

   

 رتب النجوم الآتية تصاعدياً حسب درجة حرارة سطوحها: الزرقاء، والحمراء، والصفراء.

ولمعرفة طول موجة الطاقة العظمى للنجم ، يقوم العلماء بتحليل أطياف من خلال الخطوط الطيفية الواضحة للنجوم ، انظر الشكل (3-2) ،  ومن تحديد الطول الموجي لأقصى انبعاث للطاقة المشعة من سطح النجم ، وباستخدام قانون فين نحسب حرارة سطح النجم .

    ويــوضح الشكل (3-2) بعض نماذج لأطياف النجوم ، ويـــلاحـــظ أنـــها مـــرتبــــة إلــى أصناف (O، A، B، F ،G، K ،M ) اعتماداً على درجات الحرارة سطوحها ، فالصنف O  يمثل أكثر النجوم سخونة و يليه النجم B ثم A ،F،G،K،M. كما تفيد أطياف النجوم في معرفة مكونات النجوم ، إذ إن لكل عنصر طيفاً يميزه عن سائر العناصر الأخرى ، ويوضح الجدول (3-1) علاقة الصنف الطيفي للنجم بدرجة حرارة سطحه و العناصر المسؤولة عن الطيف .

الجدول (3-1) : الأصناف الطيفية الرئيسية للنجوم.

الصنف الطيفي

لون النجم

درجة حرارة سطح النجم

مصادر الأطياف

O

B

A

F

G

K

M

أكثر النجوم زرقة

أزرق

أبيض مُزْرَقّ

أبيض

أبيض مُصْفَرّ

برتقاليَ باهت

برتقالي مُحْمّر

30000-60000

10000-30000

7500-10000

6000-7500

5000-6000

3500-5000

أقل من 3500

ذرات الهيليوم المتأينة

أكثر النجوم زرقة

ذرات الهيليوم المتعادلة

ذرات الهيدرجين المتعادلة

ذرات الهيدرجين المتعادلة و فلزات متأينة

هيدرجين متعادل كالسيوم متأين

جزيئات وفلزات متعادلة

      نستنتج مما سبق أن طيف النجم يفيد في معرفة أشياء عدة مثل معرفة الصنف الطيفي للنجم ، ودرجة حرارة سطحه و لونه ، ومكوناته ، ... وهكذا .  

خامساً: حجم النجم

 

 


      يتبع العلماء في ذلك قانون ستفيان- بولتزمان الذي ينص على أن شدة إضاءة النجم [إذا افترض أنه جسم أسود(1) (مثالي) ] تعتمد على القوة الرابعة لدرجة حرارة سطح النجم ومساحته السطحية وفق المعادلة الآتية :

     

     حيث أن :

    ش: شدة إضاءة النجم .

   مـ : مساحة سطح النجم (ويساوي 4 ،  حيث نصف القطر ).

   O : ثابت ستفيان .

    د  : درجة حرارة سطح النجم بالكلفن .

مثال (4) 


 

    نجم درجة حرارته السطحية نصف درجة حرارة سطح الشمس وقدرة المطلق صفر ، فما نصف ذلك النجم إذا علمت أن نصف قطر الشمس ( 7 ×510 كم)  وقدرها المطلق = +5 .

الحل:    

   نحسب النسبة بين إضاءة النجم نسبة إلى شدة إضاءة الشمس :

   الفرق في القدر بينهما يساوي 5 ، أي أن شدة إضاءة النجم تعادل 100 مرة من شدة إضاءة الشمس . نستخدم قانون ستفيان – بولتزمان :

   

     ش، ش0 : شدة إضاءة النجم والشمس بالتتابع.

     نق، نق0­ : نصف قطر النجم والشمس بالتتابع.

     د ، د   : درجة الحرارة السطحية للنجم والشمس بالتتابع.

    

 

    إن أضخم النجوم المعروفة هو نجم منكب الجوزاء ، ويبلغ نصف قطرة 750 مرة مثل نصف قطر الشمس ، وهو أكبر من نصف مدار المريخ حول الشمس .

؟

   

 كيف يمكن لنجم أن يبرد دون أن يرافقه تغير في شدة إضاءته ؟

 
سادساً : مخطط هيرتزبرنغ – رسل (Hertzprung - Russel Diagram(H - R
 

 

 

     قام الفلكيان الدانماركي اينجار هيرتزبرنغ 1911 والأمريكي رسل عام 1913 بشكل مستقل بإسقاط البيانات المتعلقة بأطياف النجوم ومن ثم درجات حرارة سطوحها على المحور السيني وشدة الإضاءة النجمية المتمثل بأقدارها المطلقة على المحور الصادي ، فحصلوا على مخطط يعرف باسم هيرتزبرنغ رسل أو مخطط R-H ، انظر الشكل (3-3).  

     يلاحظ من المخطط H - R  ما يأتي :

•  معـظم النجوم تتجمع على شريط يمتد من الزاوية العلوية من اليسار إلى الزاوية السفلية من اليمين، ويسمى هذا، شريط 
   التتابع الرئيسي (Main Sequence) . لذلك سميت النجوم الواقعة عليه؛ نجوم التتابع الرئيسي، وتعد الشمس إحدى هذه

   النجوم، وتقع وسط الشريط. لاحظ أن العلاقة بين 
   شدة إضاءة النجم ودرجة حرارته السطحية، هـي
   علاقة طردية، بمعنى أنه كلما زادت درجة حرارة
   سطح النجم زادت شدة إضاءته.

•  بـعض النجوم تـتـجمع فـي أعلى مخطط H - 
   R وإلى اليمين، ويلاحظ أن درجــات حـرارة
   سطوحها منخفضة، لكن شدة إضاءاتها عالية.
   فكيف تفسر ذلك؟

     حسب قانون ستيفان – بولتزمان، فإن شدة إضاءة النجم على عاملين : درجة حرارة سطح النجم ومساحة سطحه، ولما كان النجم درجة حرارته منخفضة وشدة إضاءته عالية، فحتماً أن النجم سيعوض عن برودته بمساحته السطحية الكبيرة ولذلك تعرف بالنجوم العملاقة الحمراء (giants) .

• بعض النجوم تتجمع في أسفل المخطط على اليسار، ويلاحظ أن درجة حرارة سطوحها مرتفعة، لكن شدة إضـاءاتـها 
   منخفضة(فسر ذلك) ، وتسمى الأقزام البيض (Dwarfs).

 
سابعاً : تطور النجوم Stellar Evolution


 

 

     ثمة مجموعة مشاهدات تدل على أن للنجوم حياة وهي :

1 – أن النجوم تختلف في خصائصها كالكتلة والحجم ودرجة الحرارة وشدة الإضاءة وغيرها من الخصائص.

2 – أن للنجوم كتلاً وحجوماً محدودة ومن ثم فمحتواها الطاقي محدد ، فالشمس مثلاً تصهر نووياً 4.3 × 1210 غرام
     هيدروجين في كل ثانية، وبالتالي فلا يمكن أن تستمر إلى مالانهاية.

3 – اكتشاف السديم الكونية* ؛ إذ تعد محاضن النجوم.

    تمثل أنواع النجوم في مخطط H - R مراحل (أطواراً) عُمْرِيّة، لكن أيها يأتي أولاً؟ لما كانت دورة حياة النجم تصل بلايين السنين، وبالتالي فإن الفلكيين لا يشاهدون انتقال النجم من طور إلى آخر . فالمطلوب رصد أطوار النجوم وترتيبها. ويمكن تشبيه ذلك بشخص قادم من كوكب آخر في زيارة للأرض لمدة يوم واحد فقط. لا شك انه يستطيع أن يلاحظ جميع أطوار البشر، إلاّ أنه لا يمكنُه ترتيب أي الأطوار يأتي أولاً . لن نخوض في هذا المجال لاتساع المعرفة العلمية فيه، ولذلك سنكتفي باستعراض سريع لنموذج تطور النجوم.

     تبدأ دورة حياة النجم من السديم الكوني؛ إذ تتشكل مادته الكونية هناك بتأثير الانكماش الجذبي، ليكوّن النجم الأولي (Protostar) ، ويمثل المرحلة الجنينية للنجم. وعندما يصل التجاذب بين أنوية ذرات الهيدروجين إلى الحد الذي يكفي لإشعال الاندماج النووي، يصبح النجم نجماً تتابعاً رئيسياً، فتبدأ رحلة حياة النجم الطويلة.

    وعندما ينتهي الوقود النووي (الهيدروجين) في مركز النجم يتحول النجم حينئذٍ إلى عملاق أحمر، ويستمر النجم في حياته حتى يتوقف الاندماج النووي بسبب أو آخر كعدم كفاية درجات الحرارة الباطنية في النجم لدمج نوى العناصر فيه لنوى أثقل، عندئذٍ سيدخل النجم في إحدى أشكال موت النجم المختلفة، ويعتمد ذلك حسب كتلة النجم الوليد، ويمكن توضيح ذلك في الجدول (3-2).

الجدول (3-2) : أشكال موت النجم

كتلة النجم الوليد

 موت النجم

طبيعة المادة النجمية

حجم النجم

كثافة النجم

أقل من 1.5 مرة كتلة الشمس

1.5-3 مرة كتـلة الشمس

 < 3 مرات كتلة الشمس

قزم أبيض.
نيوتروني.
ثقب أسود.

ذرات متراصة.
نيوترونات. 
غير معروفة.

نصف قطره بضعة آلاف من الكيلومترات أي بحجم الأرض.

نصف قطره قرابة 20 كيلومتراً أي بطول مدينة مثل عمان. 

قطره صغير نسبياً، قد يصل بحجم البروتون.

عشرات الأطنان للسنتمتر المكعب.

عشرات ملايين الأطنان للسنتمتر المكعب.

عشرات ملايين المرات مما هي في النجوم النيوترونية

جاذبية الثقب الأسود

   نظراً لارتفاع كتلة الثقب الأسود الهائلة التي أحياناً تصل إلى ملايين المرات مثل كتلة الشمس ومع ذلك فهي تتركز في حيز صغير، مما يؤدي إلى زيادة قوة الجاذبية وبخاصة حول كتلة النجم فينتج عن ذلك تحدب الفضاء (الزمكان) حول هذه الكتلة.

   تخيل لو أن نجماً يقع بالقرب من الزمكان، فإن الصادر منه سيسير في مسارات منحنية، فيظهر النجم حينها في غير موقعه، وهذا يسمى العدسة الجاذبية.

 
ثامناً : النجوم المتغيرة Variable Stars


 

 

      تشهد بعض النجوم تغيراً في شدة إضاءاتها مع الزمن، فتسمى النجوم المتغيرة. ويحصل التغير في شدة إضاءاتها ضمن فترة زمنية دورية تسمى الزمن الدوري، انظر الشكل (3-4).

    وقد تكون التغير في شدة الإضاءة منتظماً فتسمى المتغيرات المنتظمة كالمتغيرات القيفاوية (Cepheid Varaibles) ، وأحياناً يكون هذا التغير غير منتظم فتسمى المتغيرات غير المنتظمة.

 

؟

   

 من الشكل (3-4) ما مقدار التغير في القدر، وما مقدار الزمن الدوري؟

    

وقد لوحظ أن ثمة علاقة بين الأقدار المطلقة للمتغيرات القيفاوية وأزمانها الدورية، انظر الشكل (3-5). ويفيدنا هذا المنحنى المعياري في استخلاص القدر المطلق للنجم القيفاوي إذا عرفنا زمنه الدوري، ومن ثم نقيس قدره الظاهري فنحسب بعده عنا باستخدام العلاقة (3).

    ومن النجوم المتغيرة تلك النجوم التي تتغير شدة إضاءاتها بملايين المرات وبصورة فجائية في بضعة أيام، وتعرف باسم النجوم المستعرة (Nova) ، وأخرى تزداد شدة إضاءاتها في السماء أكثر بكثير من المستعرة وتسمى فوق المستعرة (Supernova) ؛ إذ تصدر طاقة تعادل تلك المنبعثة من مجرة برمتها، ولذلك قد ترى في النهار، ويرى بعض العلماء أن ظاهرة النجوم المستعرة يمكن أن تتكرر للنجم الواحد، بينما لا تحدث ظاهرة النجوم فوق المستعرة إلاّ مرة واحدة نظراً لتفجّر النجم وتفنيه نووياً بشكل كامل.

     وثمة نجوم متغيرة تُصْدِر مَوْجاتٍ راديوية غاية في الانتظام في زمن دوري قصير جداً من الثانية، فأطلقوا عليها اسم النوابض أو النجوم النابضة (Pulsars).  

تاسعاً : نشأة الكون


 

 

     عرفت سابقاً أن المجرة هي تجمع عدد هائل من النجوم مرتبطة جذبياً مع بعضها بعضاً. أما الكون فهو جميع الفضاء الذي حولنا وما يحتويه من مادة وطاقة، وتعد المجرات وحدات البناء الأساسية فيه. والبحث عن نشوء الكون علم قائم بحد ذاته اسمه علم الكونيات (Cosmology)، وهو يبحث في نشأة مكونات الكون ويجيب عن التساؤلات الآتية: هل للكون بداية؟ وهل له نهاية؟ وإذا كانت له بداية فكيف بدأ؟

    وضعت نماذج علمية عدة للإجابة عن التساؤلات السابقة، نكتفي بذكر واحد منها هو نموذج الانفجار العظيم (Big Bang) . وينص هذا النموذج على أن مادة الكون كانت موجودة في حجم صغير جداً، أطلق عليه الذرة البدائية (Primeval atom) وكانت هذه غير مستقرة، فانفجرت انفجاراً عظيماً ساخناً، ويوضح الشكل (3-6) مراحل تشكل الكون بدءاً من لحظة (10 –43 ثانية)(1)حتى الآن.

      يلاحظ من الشكل (3-6) ما يأتي :

•  تطور المادة من جسيمات الذرة مثل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات وانتهاء بتشكيل المجرات.

•  انخفاض درجة حرارة الكون جميعه عبر الزمن حتى وصلت الآن 2.7 كلفن.

•  عمر الكون(2) 15 مليون سنة بدءاً من الانفجار العظيم للكون. والله أعلم.

          ثمة شواهد فلكية تعد أدلة قوية على الانفجار العظيم وهي :

1 – ظاهرة الانزياح نحو الأحمر لأطياف المجرات

     ويوضح الشكل (3-7) عدداً من أطياف أيونات الكالسيوم (Ca2+) لكل مجرة من المجرات المختلفة، فلو رصدنا خطي (H,K) في طيف +Ca2 لأي مجرة، يلاحظ أنهما ينزاحان باتجاه الطول الموجي الأطول.

وحسب تأثير دوبلر فإن المجرات تتحرك مبتعدة عنا وعن بعضها بعضاً، أي ان الكون يتوسع باستمرار مع الزمن. وهذا يدعم نموذج الانفجار العظيم. ومن المثير في توسع الكون، هو أن المجرات الأبعد عنا، تبتعد عنا بسرعات أكبر، انظر الشكل (3-7). وقد لاحظ ذلك العالم هّبِل، ووضع قانونه الذي يعرف باسمه وينص على أن سرعة ابتعاد المجرات عنا يتناسب طردياً مع المسافة التي تفصل بيننا وبين المجرة، أي أن :

    ع = هـ ف؛ ............................................... (6)

    حيث أن :

    هـ : ثابت هّبِل ويتراوح بين (50-100) كم / ثانية. مليون فرسخ فلكي.

    ع : سرعة ابتعاد المجرة عنا (كم / ث).

    ف : المسافة بيننا وبين المجرة (مليون فرسخ فلكي).

     ويستفاد من هذا القانون في حساب عمر الكون الذي يساوي مقلوب ثابت هّبِل، أي أن :

عمرْ الكون =   ، ........................... (7)
              

2– اكتشاف الخلفية الإشعاعية الكونيّة (Cosmic Background Radiation)

   وهو إشعاع كهرمغناطيسي اكتشفه في أواسط الستينات من القرن العشرين روبرت ديكي (Robert Dicke) من جامعة برانستون الأمريكيّة وتبين أن هذا الإشعاع موجود بكميات متساوية في أجزاء الكون كافّة؛ الأمر الذي يدل على أن مصدر الإشعاع ليس مجرة أو جسماً فلكياً بعينه. والخاصية الأخرى لهذا الإشعاع أن درجة حرارته في الكون جميعه تساوي قرابة 2.7 كلفن.

       يدل هذا على وجود حدث هائل، وهو الانفجار العظيم الذي انبعث منه الأشعة في بادئ الأمر.

3 – اكتشاف الكوازرات (Quasars)

     الكوازرات هي أجسام فلكية تصدر كميات هائلة من الطاقة تعادل كمية الطاقة التي تصدرها مجرة بأسرها، وتزداد أعدادها كلما ابتعدت عن مجرتنا. وهي اختصار لـ (Quasi Stellar Radio Sources) : (مصادر راديوية شبه نجمية). لاحظ أنك تنظر إلى مجرة تبعد عنا 5 مليون سنة ضوئية، فإنك تراها الىن كما كانت عليه قبل 5 مليون سنة، وليس بوضعها الحالي. ولما كانت الكوازرات يزداد وجودها بأعداد أكبر كلما ابتعدنا عن مجرتنا، فإنّها في الزمن الماضي السحيق كانت أقرب إلى مجرتنا. وهذا يدعم نموذج الانفجار العظيم، لأن هذا النموذج لا يقول بتجانس الكون لا زمانياً وبالتالي يمكن مواءمة وجود الكوازرات معه. 

أسئلة الفصل

  
1 – تزداد شدّة الإضاءة الظاهرية لنجم متغير معين 60 ضعفاً. ما القدر الظـاهري الجديد لنجم إذا كان قدْره
     الظاهري
الأصلي +5؟

2 – القدر المطلق لنجم معين +5، وقدره الظاهري +10. احسب بُعْدَهُ عنا بالفراسخ الفلكية، والسنين الضوئية.

3 – احسب النسبة بين شدّتي الإضاءة الظاهرتين لنجمين : القدر الظاهري لأحدهما يساوي صفراً؛ في حين يساوي
     القدر الظاهري للثاني –3.

4 – نجمان شدة إضاءة أحدهما 2.5 ضعف شدة إضاءة الآخر. ما الفرق بين قدْريْهما؟

5 – لمـاذا تبدو الشمس أسطع نجم في السـماء؟ ماذا تتوقع أن يكون قدرها المطـلق، إذا عـلمت أن قدرها 
    الظاهري –26، وبُعْدَها عنا 8 دقائق ضوئية.

6 – وجه مرقب فلكي باتجاه نجمين على التوالي، وكانت مقدار الطاقة الواصلة إلى الراصد من النجم الأول تعادل
    5.3× 10-14 واط، ومن النجم الثاني 3.9 ×10-14 واط. احسب الفرق بين أقدارهما الظاهرية.

7-فسْر ما يأتي:

أ- نجـمان أحدهما لونه أزرق والآخر لونه أحمر، ولهما شدة الإضاءة الحقيقية نفسها؛ فيكون حجم النجم الأحمر
   أكبر من حجم النجم الأزرق.

ب-نجـمان (س، ص)؛ النـجم (س) يبعد 10 فراسخ فلكية بينما يبعد النجم (ص) 20 فرسخاً فلكياً، ونصف قطر
    النجم (س) ضعف نصف قطر النجم (ص) بينما درجة حرارة النجم (س) السطحية نصف درجة النجم (ص) 
    السـطحـية. فإن شدة الإضاءة المطلقة للنجم (س) تساوي ربع شدة الإضاءة المطلقة للنجم (ص)، بينما شدة
    إضاءتيهما الظاهرية متساوية.

8- اذكر دليلاً واحداً محسوساً على تطور النجوم.

9-استعن بالشكل (3-3) وأجب عن الأسئلة الآتية :

   أ- في أي موقع من مخطط H-R   تتوقع وجود النجوم الحمراء والنجوم الزرقاء؟

  ب- نجـم درجـة حرارته مرتفعة وشـدة إضاءته منخفضة بسبب صغر حجمه. أين يمكن أن تضعه على
      مخطط  H-R؟

  جـ- في مخطط H-R  يمثل شريط التتابع الرئيسي العلاقة بين القدر المطلق ودرجة الحرارة السطحية للنجم.
       ما هذه العلاقة؟ هل تنـطبق على النجوم العملاقة الحمراء ونجوم الأقزام البيض؟ إذا كان الجواب لا، ما
       السبب في ذلك؟

  د- نجمان (س، ص)، فإذ كانت شدة إضاءة النجم (س) ضعف شدة إضاءة النجم (ص)، والقدر الظاهري للنجم 
    (ص) يساوي +12، فإذا كان بعد النجم (س) يساوي 1000 فرسخ فلكي وصنفه الطيفي F، وبُعْد النجم (ص)
    يساوي 10 فراسخ وصنفه الطيفي A  ، فإلى أي الأنواع ينتمي كل منهما في مخطط H – R  .

10-اسـتعن بالجدول (3-1) لتحديد الصنف الطيفي الذي تنتمي إليه الشمس وتحديد لونها. إذا علمت أن درجة 
    حرارة سطح الشمس تبلغ قرابة 5780 كلفن.

11- أ-ما المعلومات المتضمنة في أطياف النجوم؟

     ب- ما اللون الذي تظهر فيه أسخن النجوم (أكثرها درجة حرارة)؟

12- يوضح الشكل (3-8/أ) العلاقة بين المسافة بالفرسخ الفلكي ومعامل المـسـافة (الفرق بين القدر الظاهري 
    والقدر الظاهري والقدر المطلق). ويوضح (3-8/ب) العلاقة بين الزمن الدوري لنجم قيفاوي وقدره المطلق.
    تأمل الشكلين وأجب عن الأسئلة الآتية:

 

 الأرقام باللون الأحمر تتبع المنحنى الأحمر، والأرقام الأزرق تتبع المنحنى الأرزق.

  الشكل (3-8): سؤال 12

 أ- إذا كان معامل المسافة لنجم ما يساوي 10، فما بُعْدهُ عنا؟

ب- ما معامل المسافة لنجم ما إذا كان بُعْدهُ عنا 610 فرسخ فلكي؟

جـ- احسب بُعْد نجم ما عنا إذا كان قدره المطلق (-10) وقدره الظاهري (10).

د - ما القدر المطلق لنجم قيفاوي إذا كان الزمن الدوري له يساوي (5) أيام؟

هـ - احسب بعد نجم قيفاوي عنا إذا كان الزمن الدوري له (50) يوماً، وقدره الظاهري صفراً .

13- إذا علمت أن السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنة كاملة، وأن سرعة الضوء في الفراغ
    ع =3×810 م/ث، احسب مقدار السنة الضوئية والفرسخ الفلكي بالكيلومترات.

14-ما الطول الموجي لإشعاع الخلفية الإشعاعية الكونية؟

15-عنقود نجمي يحتوي على 100000نجم، ومتوسط شـدة إضاءة كل نجم من العنقود يساوي متوسط شدة
    الإضاءة الحقيقية للشمس. فإذا علمت أن قدر الشمس الظاهري على البعد الذي يقع عنده العنقود النجمي +8،
     فاحسب القدر الظاهري لهذا العنقود، وبعده عن الأرض. علماً بأن القدر المطلق للشمس يساوي +5.

16- فسّرْ ما يأتي:

     أ- دراسة المجرات الأبعد تعني دراسة حالة المجرات في زمن أقدم.

    ب- ابتعاد المجرات عن بعضها بعضاً يدل على حصول الانفجار العظيم للكون.

    جـ - الخلفية الإشعاعية الكونية دليل على حصول الانفجار العظيم للكون

17- يوضح الشكل (3-9) كيف يتغير توسع الكون ومن ثم عمره تبعاً لاختلاف ثابت هَبِلْ (هـ).

    أ-ما سرعة تباعد مجرتين إذا كانت المسافة بينهما 33 مليون سنة ضوئية في الحالتين:

       هـ1 = 50كم/ ثانية. مليون فرسخ فلكي

      هـ2= 100كم/ ثانية. مليون فرسخ فلكي.
الشكل (3-9): سؤال 17

   ب - احسب المسافة بين مجرتين في
        لحظة كانت سرعة تباعدهما عن 
        بعضهما تساوي 2500 كم/ ث، 
        وثابت(هبِل) = 50كم/ ثـانية.
        مليون فرسخ فلكي.

   جـ-احسب عُمْر الكون في الحالتين:

     هـ1= 50كم/ ثانية. مليـون
     فرسخ فلكي.

    هـ2=100كم/ ثانية. مليـون 
     فرسخ فلكي.

    د-ماذا يمثل ميل الخط البياني؟

 

 

أسئلة الوحدة الأولى


1- ضع دائرة حول رمز الإجابة الصحيحة فيما يأتي:
 
  1) أقدم وسيلة للرصد الفلكي التي ما زالت محافظة على أهميتها هي:
 
    (  أ  ) العين المجردة                 ( ب ) المقراب(التلسكوب) العاكس
 
    ( جـ ) المنظار                        (  د ) المقراب الكاسر.
  
2)    حركة الهواء في الغلاف الجوِّي الأرضي تؤثر في رؤيتنا لـ :
 
   (  أ  )  شدة إضاءة النجم             (  ب ) انتظام إضاءة النجم
 
   ( جـ )  أ و ب معاً                    (  د  )  لون النجم.
 
3)   النجم القطبي لا يغيب أبداً في نصف الكرة الأرضية:
 
    (  أ  ) الجنوبي                       (  ب  ) الشمالي
 
    ( جـ ) أ و ب معاً                     (   د  ) لا شيء مما ذكر.
 
4)  تختلف الأقدار الظاهرية للأجرام السماوية بسبب الاختلاف في:
 
     (  أ  ) شدة إضاءتها الحقيقة          (  ب  ) أبعادها عنا
 
     ( جـ ) أ و ب معاً                      (   د  ) ألوانها.

5)  تظهر النجوم في اللون:
 
      (  أ  ) الأحمر                         (  ب  ) الأزرق
 
      ( جـ ) الأصفر                         (   د  ) الألوان السابقة جميعها.
6)  العلاقة التي تربط بين القدر المطلق والقدر الظاهري, تقاس المسافة بِـ :
 
      (  أ  ) الأمتار                          (  ب  ) الكيلومترات
 
      ( جـ ) السّنين الضوئية                (   د  ) الفراسخ الفلكية.

7)  تمثل الأقزام البيض في مراحل التطور النجمي مرحلة:
 
      (  أ  ) مبكرة                            (  ب  ) وُسْطى
 
      ( جـ ) نهائية                             (   د  ) هي ليست من مراحل تطور النجوم.

8)  الذي يحدد شكل موت النجم هو:
 
      (  أ  ) كتلة النجم                         (  ب  ) حجم النجم
 
      ( جـ ) شدة إضاءة النجم                 (   د  )  درجة حرارة باطن النجم.

9)    أزواج النقاط الآتية عموديتان دائماً على دائرة الأفق:
 
      (  أ  ) القطبان السماويان                 (  ب  ) نقطتا الاعتدالين
 
      ( جـ ) نقطتا الانقلابين                (   د  ) السمت والنظير.

10)  دائرة الزوال عمودية على دائرة الأفق في:
 
      (  أ  ) نقطتي السمت والنظير          (  ب  ) نقطتي الشمال والجنوب الأفقيين
 
      ( جـ ) القطبين السماويين               (   د  ) نقطتي الاعتدالين.

11)  وحدات البناء الأساسية للكون هي:
 
      (  أ  ) النجوم                           (  ب  ) السُدُم الكونية
 
      (  جـ ) المجرات                       (   د  ) جميع ما ذكر صحيح.

12) إحـداثي الصعود المستقيم لجرمٍ سماوي يساوي ساعتين وعشرين دقيقة. هذا الإحداثي يكافئ زاوية بالدرجات
     قدرها:
 
      (  أ  ) 25 ْ                              (  ب  ) 35 ْ
 
      ( جـ ) 5 ْ                                (   د  ) 15 ْ.
 
13) إحدى النجوم الآتية لا يستطيع الفلك الفوتوغرافي الكشف عنها بالأشعة المرئية:
 
      (  أ  ) نجم درجة حرارته 1500 كلفن   ( ب) نجم درجة حرارته 5000 كلفن
 
      ( جـ ) نجم درجة حرارته 5500 كلفن   (  د ) نجم درجة حرارته 6500 كلفن.

14) ولادة النجم وموته ناتجة عن:
 
      (  أ  ) بدء الاندماج النووي ونهايته       (ب) نمو كتلة النجم واندثاره( انفجاره)
 
      ( جـ ) التحاق النجم بالتتابع الرئيسي وتركه ( د ) زيادة حجم النجم وانهياره.

15) دائرة الساعة في النظام السماوي تشبه في النظام الأرضي:
 
     (  أ  ) دائرة استواء الأرض                  ( ب) خطوط الطول
 
     ( جـ ) خطوط العرض                        (  د ) دائرة السرطان.

16) أيُّ النجوم ذات السمات الآتية تتوقع أن تكون ذات لون يميل نحو الأزرق:
 
     (  أ  ) نجم كتلته كبيرة وبارد                 (  ب ) نجم كتلته كبيرة وساخن
 
     ( جـ ) نجم كتلته ودرجة حرارته متوسطة    (  د ) نجم كتلته صغيرة وبارد.
 
17) أيّ من الأجسام الفلكية الآتية يمكن أن يكون مجرة في طور الشكل:
 
     (  أ  ) الثقب الأسود                                (  ب  ) النجم النيوتروني
 
     ( جـ ) القزم الأبيض                                (   د  ) الكوازر.

18) منذ متى تتوقع أنْ يكون قد حصل انفجار الكون العظيم:
 
       (  أ  ) 5 بليون سنة                               (  ب  ) 15 بليون سنة
 
       ( جـ ) 25 بليون سنة                             (   د  ) 75 بليون سنة.

19) الدائرة التي تقسم سماء الراصد دائماً إلى قسمين؛ شرقي وغربي هي:
 
       (  أ  ) الأفق                               (  ب  ) استواء السماء
 
       ( جـ ) الزوال                             (    د  ) البروج.

20) عندما تفقد الشمس وقودها النووي بالكامل فإنها تتحول إلى:
 
       (  أ  ) قزم أبيض                                 (  ب  ) عملاق أحمر
 
       ( جـ ) نجم نيوتروني                             (   د  ) ثقب أسود.

21) كلما يميل لون النجم نحو الحمرة أكثر, كانت درجة حرارته:
 
       (  أ  ) تميل نحو الارتفاع                               (  ب  ) تميل نحو الانخفاض
 
       ( جـ ) ليس لذلك علاقة بدرجة الحرارة               (   د  ) تعتمد على كتلة النجم.

22) العلاقة بين مستولى دوران الأرض حول الشمس ومستوى استوائها:
 
       (  أ  ) منطبقان على بعضهما البعض              (  ب  ) عموديان على بعضهما البعض
 
       ( جـ ) بينهما زاوية 5, 23 ْ                        (   د  ) بينهما زاوية 45 ْ. 

2 -  إذا نظرنا إلى القبة السماوية من جهة الشمال السماوي, انظر الشكل المرفق, فإننا نقيس الصعود المستقيم باتجاه:
 
(  أ  ) عقارب الساعة

(  ب  ) عكس عقارب الساعة

3- هب أن نقطة الاعتدال الربيعي تشرق في مكان ما يقع على خط الاستواء الساعة 9 مساءً. فما الصعود المستقيم 
    والميل لنجم يقع على سمت راصد يقف في الموقع نفسه على خط الاستواء في الساعة 3 صباحاً.
الشكل (3-10): سؤال 3

4- تعتمد درجة حرارة جسم مشع على القيمة العظمى للطول الموْجيّ للإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث, وَفْقَ قانون فين. ويمثل الشكل (3-10) مثالاً على هذا القانون عند درجات حرارة مختلفة؛ ويوضح علاقة الطاقة المشـعــة بالطول الموجي. استعن بالشكل وقانون فين للإجابة عن الأسئلة الآتية:

أ – حدد القيمة العظمى للطول الموجيّ للإشعاع المنبعث (lع ) لكل نجم.

ب- عيّن درجة حرارة كل نجم من النجوم الثلاثة أ, ب, جـ, باستخدام الشكل( 3-10/أ) ثم احسبها بقانون فين. قارن بين الإجابتين من حيث الدقة.


 

ـــــــــــــــــــ

* الفرسخ الفلكي(Parsec): إحدى وحدات قياس المسافات الفلكية. ويرمز لها بالرمز Pc، وتعطى بدلالة السنة الضوئية والمتر بالعلاقتين Pc1=3.26سنة ضوئية=3.1×1610 متر.

(1) الجسم الأسود (المثالي) : هو الجسم الذي يشع ويمتص ‘شعاعات من جميع الأطوال الموجية.

(2) السديم الكوني : منطقة كونية تحتوي على غازات وأغبرة كونية مختلفة.

(3) لم يتمكن العلماء من معرفة حالة الكون لحظة الانفجار العظيم (الصفر)، بل من لحظة قريبة منه (10 –43 ثانية)، وكلما تقدمت وسائل العلم اقتربت معرفة الإنسان في معرفة حالة الكون في وقت أبكر من (10 –43 ثانية)، إلا أنه لم يصل إلى معرفة حالة الكون منذ الصفر. والله اعلم

(4) يتراوح عمر الكون بين 12 – 20 بليون سنة.