حساب عمر العناقيد النجمية

توفر لنا العناقيد النجمية الكثير من المعلومات ذات الصلة بدراسة النجوم بشكل عام والسبب الرئيسي هو أن نفترض كون أن النجوم كلها تشكلت في وقت واحد تقريباً من نفس سحابة بين النجوم. وهو ما يعني أن النجوم في تلك الكتلة يجب أن تكون متجانسة جدا فيما يعني أن الفرق الكبير بين النجوم هو في كبر كتلة عن كتلة. فإذا كان لنا أن نقيس خصائص نجمة واحدة منها (مثل: العمر، البعد، التركيب...) وغيرها، فإننا تفترض أن تكون خصائص بقية النجوم في العنقود متشابهة جداً.

في الواقع فإن بعض النجوم قد تشكلت في وقت مبكر وسابق من غيرها، لكن بمقارنة حياتها، وانتشار أوقات تشكيلها يعتبر صغيراً لدرجة يمكن تجاهله، نفترض أن أبعاد النجوم في العنقود كلها لها نفس البعد عنا، وأنها بالواقع متباعدة من بعضها، وفي معظم الحالات، فإن هذا الفارق يعتبر أصغر بكثير من المسافة التي هي للعنقود بأكمله بالنسبة لنا ولذا يمكن تجاهله. على سبيل المثال، تبعد غالبية النجوم العنقودية الكروية في M13، نحو parsecs 50 من مركز كتلة العنقود، والكتلة كلها تبعد عنا حوالي parsecs 7.700. وأخيراً، إننا نفترض بأن النجوم في مجموعة معينة ينبغي أن تكون متشابهة، لتوقع كونها قد تشكلت من سحابة غاز، كانت مختلطة بشكل جيد. وبالتالي فإن الشظايا المنفردة التي شكلت النجوم كلها كانت تحتوي على نفس المزيج من العناصر والجزيئات.

أدى تشكيل النجوم من السحابة الجزيئية، بأن يكون لبعض النجوم كمثل عالية جداً (ربما تصل أعلى من 100 مرة من كتلة الشمس) وصولاً إلى أخفض كتلة مثل ولدت التي أجرام الأقزام (حوالي 08 من كتلة الشمس).

وقد أظهرت الملاحظات من التجمعات النجمية التي شكلت حديثاً والتي لها شكل كتلة عال جداً الأقل عدداً، بينما التي لها كتل أقل انخفاضاً هي الأغلبية، ومن خلال مسح للنجوم التي هي أقل من أو أكثر أو تساوي لكتلة الشمس، فإنها تشكل حوالي 90 % من كل النجوم حول منطقة شمسنا، ومعظم الكتل الباقية هي أقل من ضعف كتلة الشمس، ونحو 0,5 % فقط من جميع النجوم القريبة هي أكثر كتلة بحوالي 8 مرات لكتلة الشمس.

وبشكل ملحوظ، تبدو الملاحظات حول تشكيل النجوم في العديد من المواقع المختلفة في الكون، بأنها تشير إلى أن النسب النسبية للنجوم من كتل مختلفة، بأنه نموذج قانون كوني.

هذا يعني أن نفس النسبة النسبية للكتلة العالية مقارنة نجوم كتلة منخفضة بشكل دائم بغض النظر عن حجم تشكيل منطقة النجم، والبيئة التي يقيم بها التشكيل النجمي، ومنذ متى حول كيفية تكون النجوم. لذلك إذا كنا نستطيع تحديد كيفية تشكيل عنقود نجمي واحد. يمكننا تعميم النتائج التي توصلنا إليها والتي يمكن أن تطبقها على كل العناقيد. ويشار إلى هذه الفكرة من وجود علاقة بين عدد من النجوم في منطقة التشكيل النجمي، وكتلها باسم (دالة الكتلة النجمية الأولى stellar initial mass function).

دعونا نتابع التطور الداخلي لعنقود نجمي من خلال عدة مراحل على النحو الآتي:

1- وصلت معظم النجوم ذات الكتلة العالية، التسلسل الرئيسي، بينما لا تزال نجوم الكتلة المنخفضة في طور T Tauri.

2- لقد استنفدت نجوم O كل الهيدروجين، وبدأت في التطور بعيداً عن التسلسل الرئيسي.

3- لقد مضت كل نجوم B إلى سوبرنوفا، أما B فبدأت في طور الخروج من التسلسل الرئيسي.

4- لقد مضت كل نجوم B والتي هي كبيرة الكتلة بما فيه الكفاية إلى سوبرنوفا، نجوم والباقية تطورت إلى العمالقة الحمراء.

5- بدأت كل نجوم G في التطور للخروج من التسلسل الرئيسي. وتم ملء فرع العملاق الأحمر مع بعض من النجوم والتي هي بعض من النجوم العملاقة الحمراء الأولى التي تشكلت لتصبح أقزاماً بيضاء.

6- أما النجوم من رتب OBAFG فقد فقدت كلها من التسلسل الرئيسي، وانتشر استوطن فرع العملاق الأحمر بصورة جيدة، وهنالك أيضاً العديد من البيضاء، وبقيت فقط نجوم على التسلسل الرئيسي K&M.

ما نراه في التسلسل هو أنه نتيجة لمجموعة من أعمار النجوم، والجزء العلوي من أقصر التسلسل الرئيسي يختفي أولاً. هذا التشبيه الذي كثيراً ما نسمع، وهو مثل فتيل من أقصر شمعة، وكأن النجوم هي الكتلة التي تحترق، والتسلسل الرئيسي يحصل أقصر، لذلك فيما إذا كنت تشخص بالضبط، أي نوع من النجوم التي يطرأ عليها الآن طور الانتقال من التسلسل الرئيسي إلى العملاق الأحمر، فإن هذا يسمى (إيقاف التسلسل الرئيسي Main Sequence Turn. Off). وإذا كان بإمكانك بالضبط، أن تعرف كم من الوقت (نظريا) يأخذ هذا النوع من النجوم، كي يستنفد كل هيدروجينه، يمكنك أن تفترض عمر ذلك النجم.

الآن لنفترض أن كل النجوم تشكلت في العنقود في وقت واحد، يمكننا أن نفترض أن كل النجوم في العنقود لها نفس عمر النجم. وأن أغلب كتلته تركت على التسلسل الرئيسي.

كثيراً ما استخدم الفلكيون هذه التقنية من التسلسل الرئيسي للوقوف على التقدير المناسب لعمر العناقيد النجمية. والطريقة العلمية التي يتم من خلالها القيام بذلك، هي كما يلي:

1- استخدم علماء الفلك نماذج حاسوبية لإنشاء مخطط بياني نظري هو HR، لتوضيح التوزيع النجمي الأعمار، لـ 500 مليون سنة. وبدلاً من وضع النقاط الفردية، فقد تم رسم خط يمر خلال النقاط يوضح النجوم على مخطط HR , ومن ذلك الخط نستدل مواقع النجوم مع العمر الخاص بها، والذي يسمى بتساوي الزمن (الازوكرون isochrones).

2- لقد رسم علماء الفلك ، لون ، وسطوعية او لمعان النجوم في العناقيد النجمية المرصودة.

3- بإمكانك العثور على أفضل عرض ما بين الأزوكرون النظري والنجوم في العنقود لديك، والذي يخبرك بعمر النجم.

شكل (1): يوضح المخطط HR علام التسلسل الرئيسي الذي يلائم العناقيد المفتوحة ذات الأعمار المختلفة.

إذا قارنت مخططات للمراحل 1 – 3، فهنالك تشابه المخطط HR للعناقيد المفتوحة مخطط للمرحلة 6 يظهر بأنه مشابه جدا للعنقود الكروي. وبالتالي يمكننا استنتاج أن العناقيد شابة (عادة ما تكون لها قليل من عشرات الملاين أو مئات الملايين من السنين في العمر)، بينما العناقيد الكروية هي قديمة جداً (حوالي من 12-13 مليار سنة).

في صورة الشكل أعلاه، يمكنك أن ترى رسماً بيانياً تخطيطياً مع قطع من الخطوط التي تمثل التسلسل الرئيسي لعدد من العناقيد المفتوحة، ومن موقع منعطف التسلسل الرئيسي، يمكنك أن ترى أن مجرة NGC 23362 - الأصغر عمراً، ثم  Persei, and M67χ h &أقدم العناقيد النجمية.

يفسر هذا الإدراك العديد من الملاحظات الأخرى التي قمنا بها لغرض الفرق بين هذين النوعين من العناقيد، ومنذ كون العناقيد المفتوحة شابة، فإنه لم تتوفر لها الفرصة للتحرك بعيداً عن المكان الذي ولدت فيه. وبالتالي، فإنه من المحتمل أن تكون المواد بقايا من السحب الجزئية التي كانت تشكلت في مكان قريب (والتي أنشأت السديم المنعكس الذي يرى في الثريا Pleiades).

يمكن أن يكون الإشعاع الكثيف من نجوم O & B المضيئة في العنقود المفتوح، أن بأين الغاز القريب، بإضافة إلى أنه يكون سدم الانبعاث في مكان القريب. يهيمن الضوء من العنقود المفتوح من النجوم المضيئة فيه، والتي هي نجوم O & B في التسلسل الرئيسي، نظراً لعدم تشكل نجوم عمالقة حمراء حتى الآن، لذلك فإن العناقيد المفتوحة يجب أن تكون زرقاء إلى حد بعيد.

ومنذ قدم العناقيد الكروية، لم يتم العثور عليها قرب الأماكن التي كونتها. ولايوجد غار الأماكن القريبة منها. وحتى لو كانت هناك، فإن النجوم في العناقيد الكروية لا تسبب في انبعاث الأشعة فوق البنفسجية قادرة على خلق الكثير من سدم الانبعاث. وبالتالي فإننا لا نتوقع العثور على سدم الانبعاث تحيط بالعناقيد الكروية. لا توجد مغادرة لنجوم زرقاء في التسلسل الرئيسي، لذلك ينبغي أن تهيمن العمالقة الحمراء المضيئة، مما يؤدي إلى ظهورها حمراء جدا .

وأخيراً، يمكن أن نفسر أيضاً الاختلاف في التركيب الكيميائي بين نجوم العناقيد المفتوحة، ونجوم العناقيد الكروية (المغلقة)، في الأصل فإن كل الغاز في الكون يحتوي على قليل من العناصر الأثقل من الهيليوم. لكن وكما تعلمنا من دراستنا للتطور النجمي، يتم انشاء عناصر أثقل في الضحية، ويتفرقوا عندما تصبح سوبرنوفا. لذلك، ومع مرور الزمن ينبغي ان تحتوي الأجيال اللاحقة من النجوم على تركيزات أعلى وأعلى من العناصر الثقيلة .

ومنذ عهد العناقيد الكروية الذي يعود في القدم إلى 12 مليار سنة، فإن غلافها الجوي يعكس تركيب الغاز البدائي من التي شكلته. ومنذ أن تشكلت العناقيد النجمية المفتوحة أخيراً نسبياً في القدم، وأنها تحتوي في غلافها الجوي للعناصر الثقيلة من 10-100 مرة أكثر.

أحد الأسئلة التي لم نجب عليها بعد. هو لماذا تبدو الشمس معزولة؟.

وإذا كانت كل النجوم قد تشكلت من السحب الجزيئية التي شكلت العديد من في وقت واحد. لماذا لا يكون عدة مئات من النجوم القريبة؟

السبب بعض الشيء يعود إلى الاختلاف بين كثافة العناقيد النجمية، يذكر أن العناقيد النجمية المفتوحة تبدو (رقيقة)، وأنها غير مركزة، من ناحية أخرى فإن العناقيد الكروية كثيفة جدا ومليئة بالنجوم. بينما في العناقيد المفتوحة يكون السحب الجاذبي لكل النجوم مجتمعة ليس قوياً بما فيه الكفاية للحفاظ على نجوم ملزمة على الإحاطة بالعنقود. وبمرور الزمن فإن الانفرادية في العناقيد المفتوحة قد انحرفت بعيداً، وأذيب العنقود.

تكون جاذبية السحب في العناقيد الكروية بواسطة العنقود أقوى بكثير، لذلك فإن هذه التجمعات قادرة على الاحتفاظ بمعظم نجومها منذ بلايين السنين. ومن المرجح أن تكون الشمس جزءاً من الذي تشكل للعناقيد المفتوحة. ومنذ ذلك الحين فإن للشمس حوالي 5 مليارات سنة منذ نشأتها، وقد ابتعدت عن النجوم التي تشكلت من نفس السحابة.