سر نتوء الإضاءة في النجوم العملاقة الحمراء يكشفه تفسير جديد
ما الذي يسبب الهبوط المؤقت في سطوع النجوم العملاقة الحمراء؟ تقترح دراسة جديدة أن بداية «نتوء الإضاءة» ترتبط ببلوغ اضطراب الغاز عند حدّ الطبقة الحملية عتبة حرجة، ما قد يساعد على تحسين نماذج تطور النجوم.
اقترحت الباحثة Saskia Hekker تفسيراً لما يطلق «نتوء الإضاءة» في النجوم العملاقة الحمراء، وهو هبوط قصير في سطوع النجم لم يكن سبب بدايته معروفاً. ويقوم التفسير على عتبة حرجة في الإنتروبيا النوعية، وهي مقياس لاضطراب الغاز، عند الحدّ الداخلي للطبقة الحملية في النجم. ونُشرت الورقة في مجلة The Astrophysical Journal Letters، وكانت Hekker مؤلفتها الوحيدة. والدراسة منشورة على موقع المجلة.
لماذا يظهر النتوء في النماذج أبعد مما تُظهره الأرصاد؟
تضع نماذج التطور النجمي هذا النتوء عند سطوع أعلى وفي مرحلة أبعد مما ترصده التلسكوبات فعلاً. وترى Hekker أن حلّ هذا التباين يمرّ عبر فهم فيزياء الظاهرة نفسها. وقالت Hekker، وهي أستاذة الفيزياء الفلكية النظرية ورئيسة مجموعة «النظرية والرصد للنجوم»: «لفهم سبب ظهور النتوء في النماذج لاحقاً مما هو عليه في الأرصاد، لا بدّ من فكّ ألغاز فيزياء النتوء».
والسياق هنا معروف في علم الفلك: يختبر العلماء نظرياتهم عن أعماق النجوم بمقارنتها بما يُرى من سطوحها الخارجية، ثم تُصقل النظريات بهذه المقارنة. ونهاية النتوء مفهومة منذ وقت، أما بدايته فظلّت بلا تفسير. والنتوء مدعوم بالفهم النظري وبالتأكيد الرصدي معاً.
وسبق أن ربطت تفسيرات أخرى بدايته بوصول غلاف احتراق الهيدروجين إلى حدّ فاصل. أما تفسير Hekker فيردّ البداية إلى الديناميكا الحرارية، لا إلى مجرد التقاء طبقتين.
ما هو النتوء، وأين يُرصد؟
تصف Hekker مسار النجوم قائلة: «خلال تطورها، تتبع النجوم مساراً مميزاً في فضاء السطوع والحرارة. فالنجوم منخفضة الكتلة التي استنفدت الهيدروجين في نواتها تتبع ما يسمى فرع العمالقة الحمراء (RGB)، وهو في معظمه باتجاه ازدياد السطوع وانخفاض حرارة السطح». ثم تحدّد النتوء بقولها: «نتوء الإضاءة هو انخفاض مؤقت في السطوع في مواجهة هذا الاتجاه التصاعدي».
ويصف الباحثون النتوء بأنه هبوط وجيز وحاد في السطوع أثناء صعود النجم فرع العمالقة الحمراء. ويظهر في مخططات اللون والقدر للعناقيد النجمية. وتنتفخ هذه النجوم وتزداد سطوعاً كلما تقدّمت في العمر وبردت. وهي ساطعة وكثيرة، ولذلك يسهل رصدها نسبياً. ومن أمثلتها المرئية بالعين المجردة Arcturus و Aldebaran و Pollux. أما Betelgeuse فنجم من نوع مختلف، هو عملاق أحمر فائق.
وتضع الصورة العامة هذه النجوم في سياقها. فالشمس نجم منخفض الكتلة، بينما تحتوي أكثر النجوم كتلة، وهي أندر، على أضعاف كتلة الشمس. وتوصف الشمس بأنها عادية نسبياً، ومن المتوقع أن تواصل التألق بثبات لمليارات السنين. وتُدخل التلسكوبات في مجال الرؤية ملايين النجوم من أنواع وأعمار مختلفة. ويدرس الفلكيون تغيّر سطوع النجوم لفهم أعمارها الطويلة.
ماذا يجري داخل النجم عند بداية النتوء؟
يبدأ المسار حين تستنفد نجوم منخفضة الكتلة الهيدروجين في نواتها، فتبقى نواة هيليوم خاملة. ويقع معظم الهيدروجين المتبقي في غلاف النجم، ويجري الاندماج في طبقة رقيقة حول النواة. وتنتقل الطاقة بالإشعاع في النواة وفي طبقة احتراق الهيدروجين، ويعلوهما غلاف خارجي حملي، أي تنتقل فيه الطاقة بحركة الغاز.
ومع صعود النجم على الفرع تنكمش نواته ويتمدد سطحه. وتشرح Hekker النتيجة: «ويدفع ذلك أعمق طبقات الغلاف الحملي إلى الداخل، فتصل إلى طبقات تغيّر تركيبها الكيميائي بفعل عمليات (احتراق) جرت في مرحلة أسبق من تطور النجم». وهنا يحدث ما يسمى الرفع العميق (Dredge-up)، إذ تنتقل مواد من الأعماق إلى المنطقة الحملية. ويخلط الحمل مواد المنطقة الإشعاعية بالمنطقة الحملية فيتغير تركيبها.
وتشكّل «قاعدة المنطقة الحملية» حدّاً متحركاً داخل النجم. وتقيس الإنتروبيا النوعية اضطراب الغاز عند هذه القاعدة. وكلما تحرك الحدّ إلى الداخل ضاق فرق الإنتروبيا عبره. وحين ينخفض هذا الفرق دون قيمة حرجة يبدأ النتوء.
ماذا يضيف هذا التفسير؟
تقدّم الدراسة وصفاً كمّياً لبداية النتوء. وقالت Hekker: «هذا التفسير الموجز لبداية النتوء هو أول وصف كمّي يُقترح حتى الآن». وأضافت أن هذا الوصف «يوفّر رؤى جوهرية وجديدة لاستثمار النتوء نقطة ارتكاز في نظرية التطور النجمي».
أما الأثر المحتمل في النماذج فتصفه Hekker بأنه ممكن لا مؤكد. فآلية البداية المقترحة قد تساعد على وضع النتوء عند السطوع الصحيح في النماذج، وقد تفيد في اختيار تعديلات فيزيائية تتجاوز معايرة التجاوز الحملي (Overshoot)، وهي معامل في النماذج يحدّد مدى اندفاع الحمل إلى طبقات مجاورة. وقد تقرّب هذه التعديلات النماذج من الوفرة الكيميائية المقيسة على سطوح النجوم. وبحسب Hekker: «يمكن أن تُستخدم هذه المعرفة المضافة عن بداية النتوء، على نحو محتمل، لاتخاذ خيارات أكثر استنارة لتغييرات في فيزياء النماذج النجمية تتجاوز معايرة التجاوز، بما يضع النتوء في نماذج التطور النجمي عند السطوع الصحيح، وبما يوائمها في الوقت نفسه مع الوفرة السطحية المقيسة».
ويبقى السؤال المفتوح: هل ستضع النماذج المعدّلة بهذه العتبة النتوء حيث ترصده التلسكوبات؟ وهو اختبار تحسمه مقارنة النماذج بالأرصاد، كما جرت العادة في تنقيح النظريات الفلكية.
أخبار ذات صلة
SpaceX تنقل معزّز Starship إلى منصة الإطلاق لاختبار الضغط قبل محاولة الإمساك المزدوج
مصفوفة ALMA تكشف نفّاثة من الغاز البارد تنطلق من ميكروكوازار
محاكاة قد تفسّر المجال المغناطيسي الغريب لأورانوس الذي حيّر العلماء 40 عاماً
