القزم الأحمر: الاكتشاف ، الخصائص ، التطور ، التكوين - آرتي - 2025

A القزم الأحمر هو صغير، نجم بارد التي الكتلة ما بين 0.08 و 0.8 مرة كتلة الشمس. هم النجوم الأكثر وفرة والأطول عمرا في الكون: ما يصل إلى ثلاثة أرباع جميع معروفة حتى الآن. نظرًا لانخفاض لمعانها ، لا يمكن ملاحظتها بالعين المجردة ، على الرغم من تعددها بالقرب من الشمس: من بين 30 نجمًا قريبًا ، هناك 20 من الأقزام الحمراء.

أبرزها قربها منا هو Proxima Centauri ، في كوكبة Centaurus ، على بعد 4.2 سنة ضوئية. تم اكتشافه في عام 1915 من قبل عالم الفلك الاسكتلندي روبرت اينيس (1861-1933).

الشكل 1. القزم الأحمر Proxima Centauri هو جزء من نظام النجوم Alpha Centauri في كوكبة Centauri. المصدر: ESA / Hubble & NASA عبر ويكيميديا ​​كومنز.

ومع ذلك ، قبل اكتشاف Proxima Centauri ، وجد تلسكوب عالم الفلك الفرنسي جوزيف دي لالاند (1732-1802) القزم الأحمر لالاند 21185 ، في كوكبة Ursa Major.

يستخدم مصطلح "القزم الأحمر" للإشارة إلى فئات مختلفة من النجوم ، بما في ذلك تلك ذات الأنواع الطيفية K و M ، وكذلك الأقزام البنية ، وهي نجوم ليست كذلك حقًا ، لأنها لم يكن لديها مطلقًا كتلة كافية لبدء مفاعلها داخلي.

تتوافق الأنواع الطيفية مع درجة حرارة سطح النجم ، وينقسم ضوءه إلى سلسلة من الخطوط المميزة للغاية.

على سبيل المثال ، النوع الطيفي K لديه درجة حرارة تتراوح بين 5000 و 3500 كلفن ويتوافق مع النجوم الصفراء البرتقالية ، في حين أن درجة حرارة النوع M أقل من 3500 كلفن وهي نجوم حمراء.

شمسنا من النوع الطيفي G ، صفراء اللون ودرجة حرارة سطحها بين 5000 و 6000 كلفن ، النجوم ذات نوع طيفي معين لها العديد من الخصائص المشتركة ، وأكثرها تحديدًا هي الكتلة. وفقًا لكتلة النجم ، كذلك سيكون تطوره.

خصائص الأقزام الحمراء

الأقزام الحمراء لها خصائص معينة تميزها. لقد ذكرنا بالفعل البعض في البداية:

- حجم صغير.

- انخفاض درجة حرارة السطح.

- انخفاض معدل احتراق المواد.

- إضاءة منخفضة.

كتلة

الكتلة ، كما قلنا ، هي السمة الرئيسية التي تحدد الفئة التي يصل إليها النجم. تتواجد الأقزام الحمراء بكثرة بسبب تشكل النجوم ذات الكتلة المنخفضة أكثر من النجوم الضخمة.

لكن الغريب أن الوقت الذي تستغرقه النجوم منخفضة الكتلة في التكون أطول من الوقت الذي تستغرقه النجوم شديدة الكتلة. هذه تنمو بشكل أسرع لأن قوة الجاذبية التي تضغط المادة في المركز أكبر ، وكلما زادت الكتلة.

ونعلم أن كمية معينة من الكتلة الحرجة مطلوبة لكي تكون درجة الحرارة مناسبة ، من أجل بدء تفاعلات الاندماج. بهذه الطريقة يبدأ النجم حياته البالغة.

استغرق تكوين الشمس عشرات الملايين من السنين ، لكن النجم الأكبر بخمس مرات يتطلب أقل من مليون سنة ، في حين أن أضخم النجوم يمكن أن يبدأ في التألق بمئات الآلاف.

درجة الحرارة

درجة حرارة السطح ، كما ذكرنا سابقًا ، هي خاصية مهمة أخرى تحدد الأقزام الحمراء. يجب أن يكون أقل من 5000 كيلو ، ولكن ليس أقل من 2000 كيلو ، وإلا فمن الرائع أن تكون نجمًا حقيقيًا.

الأجسام النجمية التي تقل درجة حرارتها عن 2000 كلفن لا يمكن أن يكون لها نواة اندماج وهي نجوم مجهضة لم تصل أبدًا إلى الكتلة الحرجة: الأقزام البنية.

يمكن أن يضمن التحليل الأعمق للخطوط الطيفية الفرق بين القزم الأحمر والقزم البني. على سبيل المثال ، تشير أدلة الليثيوم إلى أنه قزم أحمر ، ولكن إذا كان ميثانًا أو أمونيا ، فمن المحتمل أن يكون قزمًا بنيًا.

الأنواع الطيفية ومخطط Hertzsprung-Russell

مخطط Hertzsprung-Russell (مخطط HR) هو رسم بياني يوضح خصائص وتطور النجم وفقًا لخصائصه الطيفية. يتضمن ذلك درجة حرارة السطح ، والتي كما قلنا هي عامل حاسم ، بالإضافة إلى لمعانها.

المتغيرات التي يتكون منها الرسم البياني هي اللمعان على المحور الرأسي ودرجة الحرارة الفعالة على المحور الأفقي. تم إنشاؤه بشكل مستقل في أوائل القرن العشرين من قبل علماء الفلك إجنار هيرتزبرونج وهنري راسل.

الشكل 2. مخطط الموارد البشرية يظهر الأقزام الحمراء في التسلسل الرئيسي ، في الزاوية اليمنى السفلى. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. هذا.

وفقًا للطيف ، يتم تجميع النجوم وفقًا لتصنيف هارفارد الطيفي ، مما يشير إلى درجة حرارة النجم في التسلسل التالي من الحروف:

OBAFGKM

نبدأ بأكثر النجوم سخونة ، اكتب O ، بينما أبردها من النوع M. في الشكل ، توجد الأنواع الطيفية في أسفل الرسم البياني ، على الشريط الأزرق الملون على اليسار حتى الوصول إلى أحمر على اليمين.

يوجد داخل كل نوع اختلافات ، نظرًا لأن الخطوط الطيفية لها شدة مختلفة ، ثم يتم تقسيم كل نوع إلى 10 فئات فرعية ، يُشار إليها بالأرقام من 0 إلى 9. وكلما انخفض الرقم ، زادت سخونة النجم. على سبيل المثال الشمس من النوع G2 و Proxima Centauri هو M6.

تسمى المنطقة المركزية من الرسم البياني ، والتي تعمل بشكل قطري تقريبًا ، بالتسلسل الرئيسي. معظم النجوم موجودة هناك ، لكن تطورها يمكن أن يقودهم إلى المغادرة ووضع أنفسهم في فئات أخرى ، مثل العملاق الأحمر أو القزم الأبيض. كل هذا يتوقف على كتلة النجم.

تحدث حياة الأقزام الحمراء دائمًا في التسلسل الرئيسي ، ومن حيث النوع الطيفي ، ليست كل الأقزام من الفئة M هي أقزام حمراء ، على الرغم من أن معظمها كذلك. ولكن في هذه الفئة يوجد أيضًا نجوم عملاقة مثل منكب الجوزاء وعنتاريس (أعلى يمين مخطط الموارد البشرية).

تطور

تبدأ حياة أي نجم بانهيار المادة بين النجوم بفضل تأثير الجاذبية. عندما تتراكم المادة ، فإنها تدور بشكل أسرع وأسرع وتتسطح إلى قرص ، وذلك بفضل الحفاظ على الزخم الزاوي. في الوسط يوجد النجم الأولي ، الجنين إذا جاز التعبير عن نجم المستقبل.

مع مرور الوقت ، تزداد درجة الحرارة والكثافة ، حتى يتم الوصول إلى الكتلة الحرجة ، حيث يبدأ مفاعل الاندماج نشاطه. هذا هو مصدر طاقة النجم في وقته القادم ويتطلب درجة حرارة أساسية تبلغ حوالي 8 ملايين كلفن

يعمل الاشتعال في اللب على استقرار النجم ، لأنه يعوض عن قوة الجاذبية ، مما يؤدي إلى التوازن الهيدروستاتيكي. هذا يتطلب كتلة بين 0.01 و 100 ضعف كتلة الشمس. إذا كانت الكتلة أكبر ، فإن الحرارة الزائدة قد تسبب كارثة من شأنها تدمير النجم الأولي.

الشكل 3. في القزم الأحمر ، يوازن اندماج الهيدروجين في النواة قوة الجاذبية. المصدر: F. Zapata.

بمجرد بدء مفاعل الاندماج وتحقيق التوازن ، ينتهي الأمر بالنجوم في التسلسل الرئيسي لمخطط الموارد البشرية. تبعث الأقزام الحمراء الطاقة ببطء شديد ، لذا فإن إمدادها بالهيدروجين يستمر لفترة طويلة. الطريقة التي يُصدر بها القزم الأحمر الطاقة هي من خلال آلية الحمل الحراري.

يتم إجراء تحويل إنتاج الطاقة من الهيدروجين إلى هيليوم في الأقزام الحمراء بواسطة سلاسل بروتون-بروتون ، وهو تسلسل يندمج فيه أيون هيدروجين مع آخر. تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على طريقة حدوث هذا الاندماج.

بمجرد استنفاد الهيدروجين ، يتوقف مفاعل النجم عن العمل وتبدأ عملية التبريد البطيء.

سلسلة بروتون بروتون

رد الفعل هذا شائع جدًا في النجوم التي انضمت للتو إلى التسلسل الرئيسي ، وكذلك في الأقزام الحمراء. يبدأ مثل هذا:

¹ ₁ H + ¹ ₁ H → ² ₁ H + e ⁺ + ν

حيث e ⁺ هو بوزيترون ، مطابق في كل شيء للإلكترون ، باستثناء أن شحنته موجبة و ν نيوترينو ، جسيم خفيف ومراوغ. من جانبه ² ₁ H هو الديوتيريوم أو الهيدروجين الثقيل.

ثم يحدث:

¹ ₁ H + ² ₁ H → ³ ₂ He + γ

في الأخير ، γ يرمز إلى الفوتون. يحدث كلا التفاعلين مرتين ، مما يؤدي إلى:

³ ₂ هو + ³ ₂ هو → ⁴ ₂ هو + 2 (¹ ₁ ح)

كيف يولد النجم الطاقة من خلال القيام بذلك؟ حسنًا ، هناك اختلاف طفيف في كتلة التفاعلات ، خسارة صغيرة للكتلة تتحول إلى طاقة وفقًا لمعادلة أينشتاين الشهيرة:

E = mc ²

نظرًا لأن هذا التفاعل يحدث مرات لا حصر لها مع وجود عدد هائل من الجسيمات ، فإن الطاقة التي يتم الحصول عليها هائلة. لكنه ليس رد الفعل الوحيد الذي يحدث داخل النجم ، على الرغم من أنه الأكثر شيوعًا في الأقزام الحمراء.

وقت حياة النجم

يعتمد طول عمر النجم أيضًا على كتلته. المعادلة التالية هي تقدير لذلك الوقت:

T = م ^-2.5

هنا T هو الوقت و M كتلة. استخدام الحروف الكبيرة مناسب ، بسبب الوقت وضخامة الكتلة.

يعيش نجم مثل الشمس حوالي 10 مليارات سنة ، لكن نجمًا تساوي كتلة الشمس 30 مرة يعيش 30 مليون سنة ، ويمكن أن يعيش نجم آخر أكبر حجمًا لنحو مليوني سنة. في كلتا الحالتين ، إنه خلود للبشر.

تعيش الأقزام الحمراء أطول من ذلك بكثير ، وذلك بفضل البخل الذي ينفقون به وقودهم النووي. من حيث الوقت الذي نختبره ، يبقى القزم الأحمر إلى الأبد ، لأن الوقت الذي يستغرقه استنفاد الهيدروجين من النواة يتجاوز العمر المقدر للكون.

لم يمت أي من الأقزام الحمراء حتى الآن ، لذلك كل ما يمكن التكهن به حول المدة التي يعيشونها وماذا ستكون نهايتهم يرجع إلى محاكاة الكمبيوتر للنماذج التي تم إنشاؤها باستخدام المعلومات التي لدينا عنهم.

وفقًا لهذه النماذج ، يتوقع العلماء أنه عندما ينفد الهيدروجين من قزم أحمر ، فإنه سيتحول إلى قزم أزرق.

لم ير أحد من قبل نجماً من هذا النوع ، ولكن مع تلاشي الهيدروجين ، لا يتوسع القزم الأحمر ليصبح نجمًا عملاقًا أحمر ، كما ستفعل شمسنا يومًا ما. إنه ببساطة يزيد من نشاطه الإشعاعي ومعه درجة حرارة سطحه ، يتحول إلى اللون الأزرق.

تكوين الأقزام الحمراء

تكوين النجوم متشابه للغاية ، في الغالب عبارة عن كرات ضخمة من الهيدروجين والهيليوم. فهي تحتفظ ببعض العناصر التي كانت موجودة في الغاز والغبار التي أدت إلى ظهورها ، لذا فهي تحتوي أيضًا على آثار للعناصر التي ساعدت النجوم السابقة في تكوينها.

لهذا السبب ، فإن تكوين الأقزام الحمراء يشبه تكوين الشمس ، على الرغم من أن الخطوط الطيفية تختلف اختلافًا كبيرًا بسبب درجة الحرارة. لذلك إذا كان النجم لديه خطوط هيدروجين ضعيفة ، فهذا لا يعني أنه يفتقر إلى هذا العنصر.

في الأقزام الحمراء ، توجد آثار لعناصر أخرى أثقل ، والتي يسميها علماء الفلك "المعادن".

في علم الفلك ، لا يتطابق هذا التعريف مع ما يُفهم عمومًا على أنه معدن ، حيث يتم استخدامه هنا للإشارة إلى أي عنصر ، باستثناء الهيدروجين والهيليوم.

تدريب

عملية تكوين النجوم معقدة وتتأثر بالعديد من المتغيرات. لا يزال هناك الكثير غير معروف عن هذه العملية ، لكن يُعتقد أنه هو نفسه بالنسبة لجميع النجوم ، كما هو موضح في المقاطع السابقة.

العامل الذي يحدد حجم ولون النجم ، والمرتبط بدرجة حرارته ، هو مقدار المادة التي يتمكن النجم من إضافتها بفضل قوة الجاذبية.

السؤال الذي يثير قلق علماء الفلك والذي لا يزال يتعين توضيحه هو حقيقة أن الأقزام الحمراء تحتوي على عناصر أثقل من الهيدروجين والهيليوم والليثيوم.

من ناحية أخرى ، تتنبأ نظرية الانفجار العظيم بأن النجوم الأولى المتكونة يجب أن تتكون فقط من العناصر الثلاثة الأخف وزناً. ومع ذلك ، تم اكتشاف عناصر ثقيلة في الأقزام الحمراء.

وإذا لم يمت أي من الأقزام الحمراء حتى الآن ، فهذا يعني أن الأقزام الحمراء الأولى التي تشكلت لا بد أن تكون موجودة في مكان ما ، وكلها مكونة من عناصر ضوئية.

ثم ربما تكون الأقزام الحمراء في وقت لاحق ، لأن وجود العناصر الثقيلة أمر ضروري في تكوينها. أو أن هناك أقزامًا حمراء من الجيل الأول ، ولكن كونها صغيرة جدًا وبإضاءة منخفضة ، لم يتم اكتشافها بعد.

أمثلة على الأقزام الحمراء

القنطور التالي

إنها تبعد 4.2 سنة ضوئية ولها كتلة تعادل ثُمن كتلة الشمس ، لكنها أكثر كثافة 40 مرة. يحتوي Proxima على مجال مغناطيسي قوي ، مما يجعله عرضة للتوهج.

يحتوي Proxima أيضًا على كوكب واحد معروف على الأقل: Proxima Centauri b ، تم الكشف عنه في عام 2016. ولكن يُعتقد أنه قد جرفته التوهجات التي ينبعث منها النجم بشكل متكرر ، لذلك من غير المرجح أن يأوي الحياة ، على الأقل ليس مثل التي نعرفها ، لأن انبعاثات النجم تحتوي على أشعة سينية.

نجمة بارنارد

الشكل 4. مقارنة الأحجام بين الشمس ونجم برنارد وكوكب المشتري. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

إنه قزم أحمر قريب جدًا ، على بعد 5.9 سنة ضوئية ، وتتمثل أهم سماته في سرعته الكبيرة ، حوالي 90 كم / ثانية في اتجاه الشمس.

إنه مرئي من خلال التلسكوبات ومثل Proxima ، فهو أيضًا عرضة للتوهجات والتوهجات. في الآونة الأخيرة ، تم اكتشاف كوكب يدور حول نجم بارنارد.

نجمة تيجاردن

هذا القزم الأحمر الذي يمثل 8٪ فقط من كتلة الشمس موجود في كوكبة برج الحمل ولا يمكن رؤيته إلا بالتلسكوبات القوية. إنه من أقرب النجوم ، حيث يبعد حوالي 12 سنة ضوئية.

تم اكتشافه في عام 2002 ، بالإضافة إلى امتلاكه لحركة ملحوظة خاصة به ، يبدو أنه يحتوي على كواكب في ما يسمى بالمنطقة الصالحة للسكن.

الذئب 359

إنه قزم أحمر متغير في كوكبة الأسد ويبعد ما يقرب من 8 سنوات ضوئية عن شمسنا. لكونه نجمًا متغيرًا ، يزداد لمعانه بشكل دوري ، على الرغم من أن توهجاته ليست بنفس شدة توهجات Proxima Centauri.

المراجع

1. Adams ، F. الأقزام الحمراء ونهاية التسلسل الرئيسي. تم الاسترجاع من: astroscu.unam.mx.
2. كارول ، ب.مقدمة في الفيزياء الفلكية الحديثة. الثاني. الإصدار. بيرسون.
3. كوزموس. الأقزام الحمراء. تم الاسترجاع من: astronomy.swin.edu.au.
4. مارتينيز ، د. التطور النجمي. تم الاسترجاع من: كتب جوجل.
5. تايلور ، إن.الأقزام الحمراء: النجوم الأكثر شيوعًا والأطول عمرًا. تم الاسترجاع من: space.com.
6. فراكنوي ، أ. أطياف النجوم (والأقزام البنية). تم الاسترجاع من: phys.libretexts.org.