النسق الأساسي

23,000 من مختلف أنواع النجوم مُبينة في هذا الرسم البياني. ويتضح من الرسم حتى أنواع النجوم تتبع المنحنى المائل في الشكل الذي يمتد من الركن اليساري العلوي (نجوم ساخنة شديدة اللمعان) إلى الركن اليميني الأسفل (نجوم أقل سخونة وأقل سطوعا) وتسمى تلك المجموعة النسق الرئيسي . كما يوجد توزيع الأقزام البيضاء وهذا التوزيع يكاد يمتد أفقيا أسفل المجموعة الرئيسية. كما يوجد أعلى النسق الأساسي مجموعة شبه العمالقة (subgiants)، والعمالقة (giants)، والعمالقة العظام (supergiants) وهي تضم طبقا لتسميتها نجوماً أضخم بكثير من الكتلة الشمسية. وتوجد الشمس في منتصف النسق الأساسي كنجم ذات قدر سطوع ظاهري يساوي 1، وقدر مطلق 8و4، ومؤشر اللون 66و0 (B-V color index) ودرجة حرارة السطح 5.780 كلفن ونوع الطيف G2].

النسق الأساسي في الفلك (بالإنجليزية: Main sequence) هوحزام نجوم تشكل نحو80 % من مختلف النجوم في الكون، يجمعها رسم بياني بغرض تصنيفها من حيث اللون ودرجة السطوع. وتتميز نجوم ذلك النسق بأن طاقة اشعاعها ناتجة عن تفاعلات الاندماج النوويللهيدروجين في قلب النجم وتنتج الهيليوم. ويسمى الرسم البياني الذي يجمع بين لون النجم وقدر سطوعه المطلق تصنيف هرتزشبرونج-راسل. وتسمى مجموعة نجوم هذا الحزام على الرسم البياني النسق الأساسي، لأنها تشكل 80 % من أنواع النجوم الموجودة في الكون. أما تصنيفات النجوم التي تخرج عن هذا الحزام الرئيسي وتشكل 20 % من نجوم الكون فهي تتجمع على الرسم البياني في حزامين آخرين، وتختلف صفاتها كثيرا عن صفات نجوم النسق الأساسي، حيث يعود إصدارها للطاقة إلى تفاعلات أخرى غير الإندماج النووي للهيدروجين الذي يولد الهيليوم، من تلك التفاعلات أندماج عناصر أثقل من الهيدروجين، مثل الكربون والأكسجين والنتروجين ويتولد منها الحديد.

ويتغير قدر السطوع المطلق لنجم من نجوم النسق الأساسي ونوع طيفه بتقدم عمره ومقدار استهلاكه الكلي لوقوده من الهيدروجين الذي يتحول تدريجيا إلى الهيليوم، كما يتحول بعضه إلى الكربون والأكسجين وغيرهما. أي أنه بمعهدتنا للقدر المطلق لنجم في السماء وفهم طيفه يمكن فهم كتلته وفهم التفاعلات الجارية فيه وبالتالي فهم عمره.

وعن طريق تلك الفهم للنجوم المتنوعة الأحجام والأعمار في الكون توصلنا إلى فهم حتى الشمس من النجوم الصغيرة وأنها من أنواع النجوم التي قد يصل عمرها إلىعشرة - 11 مليار سنة، وأن عمرها الآن يبلغ نحو5و4 مليار سنة.

كذلك نعهد حتى تقدم الشمس في العمر سيؤدي إلى إنتفاخها وتحولها إلى عملاق أحمر، وذلك بعد استهلاكها للجزء الأكبر من وقودها من الهيدروجين.

ويقسم النسق الأساسي أحيانا إلى نصف علوي ونصف سفلي بحسب نوع التفاعلات التي تجري في النجم وتنتج طاقته. فالنجوم التي تكون كتلتها أقل من 5و1 من كتلة الشمس تجري فيها تفاعلات الإندماج النووي لعنصر الهيدروجين على مراحل فيتولد الهيليوم، وتسمى تلك التفاعلات سلسلة بروتون-بروتون. أما النجوم التي تبلغ كتلتها أكبر من 5و1 من كتلة الشمس فتجري فيها تفاعل الاندماج النووي لذرات الكربون، والنتروجين والأكسجين وذلك بعد حتىقد يكون الهيليوم قد تكون من الهيدروجين في النجم.

والنجوم التابعة للنسق الأساسي وتكون كتلتها أكثر منعشرة أضعاف كتلة الشمس فيجري فيها حمل حراري بين داخلها وسطحها الخارجي، بحيث يتقلب الهيليوم المتكون حديثا في قلب النجم متيحا الفرصة لحدوث اندماج الهيدروجين ويستمر تولد الطاقة. وعنما لا يحدث الحمل الحراري في قلب النجم يهجرز الهيليوم في قلب النجم طاردا الهيدروجين إلى سطح النجم.

وبالنسبة للنجوم ذات كتلة أقل ،أي تكون كتلتها مثلا ضعف كتلة الشمس ، فيقل الحمل الحراري في قلبها تدريجيا حتى يخمد الحمل الحراري. فإذا كانت كتلة النجم أصغر من ذلك يصبح قلب النجم مشعا ويحدث الحمل الحراري قريبا من سطح النجم فقط. وإذا كانت كتلة النجم صغيرة يزيد الحمل الحراري، وتـُجري النجوم ذات كتلة أقل من نحو4و0 من كتلة الشمس الحمل الحراري عبر حجم النجم كله.

عمر النجم

مقارنة بين أحجام النجوم التابعة للنسق الأساسي.وتتبع الشمس الحجم والطيف G بين النجوم ويميل ضوؤها إلى الاصفرار.

عندما يبدأ الاندماج النووى داخل النجم بعد حتى ينكمش السدم المكون له ويتكور وترتفع حرارته بعمل الجاذبية وتصبح درجة حرارة قلب النجم وضغطه كافيان لبدء الاندماج النووى فتندمج ذرات الهيدروجين (بلازما الهيدروجين) وتتحول إلى الهيليوم، يبدأ النجم طور النسق الأساسي من عمره. تحدد كتلته الأولية مسقطه على النسق الأساسي خلال تلك الفترة الأولى ، وكذلك تكوينه الكيميائي (الهيدروجين والهيليوم، ونوع الغبار الكوني) وبعض العوامل الأخرى.

ويكون النجم الذي ينتمي إلى النسق الأساسي في حالة توازن حيث يتساوى معدل الحمل الحراري وبالتالي الضغط من قلب النجم إلى سطحه مع معدل ضغط الجاذبية من الخارج إلى الداخل. ويعتمد معدل إنتاج الطاقة في قلب النجم علي درجة الحرارة والضغط. وتنتقل الطاقة من قلب النجم إلى سطحه وتـُشع في الفضاء. وتنتقل الحرارة في داخل النجم عن طريق الإشعاع والحمل الحراري، حيث يغلب الحمل الحراري في المناطق التي تختلف فيها درجات الحرارة اختلافا كبيرا، مثل بين مركز النجم والسطح.

وبصفة عامة، حدثا زادت الكتلة الأولية للنجم حدثا قصر عمره. (ونجد مثلا حتى الشمس من النجوم الصغيرة (كتلتها صغيرة) ولهذا فهي تتمتع بعمر يقدر بينعشرة إلى 11 بلايين من السنين، قضت منهم حتى الآن نحو5و4 مليار سنه، أي حتى الشمس الآن في أواسط عمرها). وعندما يـُستهلك الهيدروجين في قلب النجم يبدأ النجم الابتعاد عن حزام النسق الأساسي على تصنيف هرتزشبرونج-راسل إلى اليمين وإلى أعلى. ويعتمد مصير النجم في تلك الفترة على كتلته، فإذا كانت كتلته أقل من 23و0 من كتلة الشمس فإن النجم يتحول إلى قزم أبيض. وأما إذا كان للنجم نفس كتلة الشمس، فإنه يمر بفترة عملاق أحمر.

وأما النجوم ذوات كتلة أكبر من كتلة الشمس فهي تنفجر في هيئة مستعر أعظم أوتنهار على نفسها تحت عمل الجاذبية مكونة ثقب أسود.

تقسيم النسق الأساسي

يميل بعض الفهماء إلى تقسيم حزام النسق الأساسي إلى ثلاثة أقسام، وذلك عندما يريدون تعريف التفاعلات النووية المتنوعة الجارية في النجم، وتلك التقسيمات هي : الجزء العلوي والجزء الأوسط والجزء السفلي وهوتصنيف مبني على أساس كتلة النجم : كبيرة أومتوسطة أوصغيرة، كما يعطي هذا التقسيم أيضا طريقة انتنطق الطاقة في النجم. فإذا كان النجم ذوكتلة أقل من كتلة الشمس (<0,5 M_☉) قد يكون انتنطق الطاقة في النجم عن طريق الحمل الحراري كلية، وإذا كان النجم ذوكتلة متوسطة (0,5 – 1,5M_☉) قد يكون انتنطق الطاقة في قلب النجم عن طريق الإشعاع مصحوبا بالحمل الحراري في الغلاف الذي يعلوالقلب إلى السطح. وإذا كانت كتلة النجم أكبر من 5و1 من كتلة الشمس فيكون انتنطق الطاقة في قلب النجم بالحمل وتعلوها طبقة تنتقل فيها الطاقة بالإشعاع.

كما يمكن تقسيم النجوم الكبيرة بحسب كتلتها تقسيما أدق : ذات كتلة عالية وذات كتلة متوسطة، بحيث تكون الحدود بين بينهما عند 8M_☉ (أي ثمانية أضعاف كتلة الشمس). وطبقا لذلك التصنيف يتطور النجم ذوكتلة أكبر منثمانية أضعاف كتلة الشمس حتى ينتهي في هيئة مستعر أعظم، أما ذلك النجم ذوكتلة أقل فهوينتهي في هيئة قزم أبيض.

مسقط الشمس في النسق الأساسي

تقع الشمس على منحنى الرسم البياني للنسق الأساسي تقريبا في الوسط (وبالتحديد في الثلث السفلي على اليمين) حيث تعتبر من ضمن النجوم ذات كتلة صغيرة. وتؤخذ كتلتها في العادة على أنها الكتلة المتوسطة للنجوم إلا حتى الأبحاث الأخيرة تبين حتى كتلتها أكثر من المتوسط بعض الشيئ، وأن الكتلة المتوسطة لعموم النجوم تبلغ نحو6و0 من كتلة الشمس.

منحنى النسق الأساسي طبقا لكتالوج هيباركوس الذي يبين العالقة بين اللون والقدر المطلق للسطوع، ويُرى اتساع عرض المنحنى للنجوم في بداية عمرها.

ويبدوالحزام النسق الأساسي واضحا لأن النجوم تقضي فيه معظم أوقات عمرها (أثناء الاندماج النووي للهيدروجين في قلب النجم)، ويكون النجم في حالة توازن. ومع تحول الهيدروجين إلى الهيليوم يتغير الهجريب الكيميائي للنجم، وبذلك يتغير أيضا لونه وقدر سطوعه المطلق، ولذلك فإن نجما يتحرك خلال عمره على النسق الأساسي إلى أعلى وإلى اليمين.

كما يتصف الجزء العلوي للنسق الأساسي بسمك معين، وتفسير ذلك حتى طريق تطور نجمين مختلفين ولهما نفس الكتلة على النسق الاساسي (تصنيف هرتزشبرونج-راسل) يختلف بسبب أختلاف نسبة وجود معادن في بداية عمر جميع منهما عند تكوّن جميع منهما من سديم يحتوي على نسب مختلفة من الهيدروجين والهيليوم والغبار الكوني. وعلاوة على ذلك يختلف النجمان لأن قدر السطوع المطلق للنجم يرتفع مع تقدمه في العمر بسبب الاستهلاك البطيئ المستمر للهيدروجين في النجم وتحول الهيدروجين بصفة أساسية إلى الهيليوم مع تكوّن نسبة قليلة من المعادن في قلب النجم.

وعندما يكاد حتى يتم استهلاك الهيدروجين (استهلاك 90% منه) وتبدأ التفاعلات في الغلاف فتغادر النجوم النسق الأساسي إلى اليمين وإلى أعلى وتتطور إلى عمالقة حمراء. كما يمكن لنجم حتى يعبر النجم النسق الأساسي بطريقة أخرى إذا كانت كتلته أقل من كتلة الشمس ، عندئذ يتخذ طريقا آخر في تطوره مؤديا إلى حتى يصبح قزما أبيضا، وتختلف صفاته عن صفات نجوم النسق الأساسي.

اعتماد قدر السطوع المطلق للنجم على كتلته في بداية عمره طبقا للنسق الأساسي. ويقدر سطوعه المطلق وكذلك الكتلة بكتلة الشمس وقدرها سطوعها المطلق في الوقت الحاضر. (قدر السطوع المطلق = Luminosity، وكتلة النجم = Mass)

وبسبب المنحدر الحراري بين قلب النجم وسطحه فإن الطاقة المتولدة باستمرار في قلبه تنتقل خلال الغلاف بينهما حتى السطح ثم تشع إلى الخارج في الغلاف الضوئي. ويكون انتنطق الطاقة إما بالحمل الحراري أوبالإشعاع وهذا يعتمد على الأحوال الوضعية في النجم. فيكون انتنطق الطاقة عن طريق الحمل الحراري في تلك المناطق التي يختلف فيها درجة الحرارة اختلافا كبيرا أوتكون غير نفاذة للضوء أوكلاهما معا. وعند تواجد الحمل الحراري في قلب النجم فإنها تقلـّب الهيليوم المتكون مع مادة الاندماج وهي الهيدروجين، بحيث يستمر الاندماج النووي للهيدروجين وتنطلق الطاقة من النجم.

والشمس بصفتها أحد نجوم النسق الأساسي يبلغ عمرها حتى الآن نحو5و4 مليار سنة وسوف تستمر في إطلاق طاقتها لمدة قادمة تقدر ب 4و6 سنة. أي ان عمر الشمس يقدر بنحو11×10⁹ سنة. وبعد استهلاكها للهيدروجين فسوف تتمدد وتنتفخ وتصبح عملاقا أحمرا حيث يندمج الهيليوم المتكون كربون. ونظرا لأن الطاقة الناتجة عن اندماج كمية الهيليوم تبلغ عشر الطاقة الناتجة عن اندماج نفس الكمية من الهيدروجين تكون تلك الحقبة نحو10 % فقط من عمر الشمس. ولذلك نجد في المتوسط نحو80% - 90 % من النجوم في الكون تتبع النسق الأساسي.

وتتبع نجوم النسق الاساسي علاقة عملية (أي مبنية على المشاهدة) بين كتلة النجم ودرجة لمعانه. ويعتمد القدر المطلق لسطوع نجم L على كتلته M طبقا للعلاقة الآتية:

{\displaystyle {\begin{smallmatrix L\ \propto \ M^{3.5 \end{smallmatrix

وتتناسب كمية الوقود الموجودة للاندماج النووي مع كتلة النجم. ولهذا فيمكن تقدير عمر نجم يتبع النسق الأساسي على أساس مقارنته بالشمس :

{\displaystyle {\begin{smallmatrix \tau _{ms \ \sim \ 10^{10 {\text{Jahre \cdot \left[{\frac {M {M_{\bigodot \right]\cdot \left[{\frac {L_{\bigodot {L \right]\ =\ 10^{10 {\text{Jahre \cdot \left[{\frac {M_{\bigodot {M \right]^{2.5 =\ 10^{10 {\text{Jahre \cdot \left[{\frac {L_{\bigodot {L \right]^{5/7 \end{smallmatrix

حيث M وL كتلة النجم وقدره المطلق، وJahre = سنة أو :

${\displaystyle {\begin{smallmatrix M_{\bigodot \end{smallmatrix$ كتلة الشمس، ${\displaystyle {\begin{smallmatrix L_{\bigodot \end{smallmatrix$

القدر المطلق للشمس و ${\displaystyle \tau _{ms$ هوالعمر التقديري لنجم النسق الأساسي.

ويتبين ان تلك النتيجة لم نكن نتسقطها حيث انه من المنتظر حتى يعمر النجم ذوكتلة كبيرة عمرا طويلا لحيازته على كمية وقود أكبر. ولكن على العكس ، نجد حتى النجوم الصغيرة التي تبلغ كتلتها عشر كتلة الشمس تعمر نحومليار سنة، في حين تعمر النجوم الأكبر من الشمس عشرات أومئات الملايين من السنين فقط.

ولا تتناسب النجوم ذات الكتلة الكبيرة طبقا للعلاقة بين الكتلة وقدر السطوع المطلق مع العمر المقدر لها والذي يبلغ عدة ملايين من السنين فقط. وتبين الدراسة المستفيضة علاقة أخرى تتبعها النجوم ذات الكتلة الكبيرة.

وتعتمد العلاقة بين كتلة النجم وقدره المطلق على معدل انتنطق الطاقة من قلب النجم إلى سطحه. فقلة نفاذية النجم للاشعاع تعمل كعازل يعمل على تراكم الطاقة في قلب النجم. وبذلك فلا يحتاج النجم إلى اصدار طاقة أكبر للمحافظة على توازنه، بل على العكس فإن نفاذية النجم للضوء تسمح بانتنطق الطاقة أسرع من داخله إلى خارجه مما يعمل على زيادة استهلاك النجم للهيدروجين لكي يبقى في حالة التوازن.

مع ملاحظة حتى النفاذية العالية للنجم تؤدي إلى انتنطق الطاقة فيه بطريق الحمل الحراري.

ويتميز نجم كبير يتبع النسق الأساسي بنفاذية ضعيفة بسبب شدة تشتت الإلكترونات التي تعمل على ثبات نفاذية النجم للحرارة. لذلك يتناسب القدر المطلق للنجم مع كتلته مرفوعة للأس 3.

وبالنسبة إلى النجوم التي يبلغ كتلتها عشر كتلة الشمس فتعتمد النفاذية على درجة الحرارة بحيث يتناسب قدر سطوعه المطلق للنجم مع كتلته مرفوعة للأس 4.

وبالنسبة إلى النجوم الكبيرة نجد حتى وجود جزيئات في جوالنجم تعمل على خفض نفاذيته. وتتناسب القدر المطلق لنجم تبلغ كتلته أقل من نصف كتلة الشمس مع الكتلة مرفوعة إلى الأس 3و2 ، بينما يجعل حزام النسق الأساسي يزداد عرضا. ولكن ذلك التحسن يشكل بالتقريب الحالة الفيزيائية الحقيقية، وقد تعتمد العلاقة بين القدر المطلق وكتلة النجم أيضا على الهجريب الكيميائي للنجم، أي ما يحتويه من عناصر.

المراجع

^ , doi:10.2298/SAJ0672017N
^ Arnett, David (1996). Supernovae and Nucleosynthesis: An Investigation of the History of Matter, from the Big Bang to the Present (in Englisch). Princeton University Press. ISBN 0-691-01147-8.CS1 maint: unrecognized language (link)—Hydrogen fusion produces 8×10¹⁸ erg/g while helium fusion produces 8×10¹⁷ erg/g.
^ Für eine detaillierte historische Rekonstruktion der theoretischen Ableitung dieser Beziehung von Eddington von 1924, siehe:Lecchini, Stefano (2007). How Dwarfs Became Giants. The Discovery of the Mass-Luminosity Relation (in Englisch). Bern Studies in the History and Philosophy of Science. ISBN 3-9522882-6-8.CS1 maint: unrecognized language (link)
^ Richmond, Michael. "Stellar evolution on the main sequence" (in Englisch). Retrieved 2006-08-24.CS1 maint: unrecognized language (link)
^ Laughlin, Gregory (1997). "The End of the Main Sequence". The Astrophysical Journal (in Englisch). 482: 420–432. doi:10.1086/304125. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)CS1 maint: unrecognized language (link)
^ Imamura, James N. (7. Februar, 1995). "Mass-Luminosity Relationship" (in Englisch). University of Oregon. Retrieved 2007-01-08. Check date values in: |date= (help)CS1 maint: unrecognized language (link)
^ Clayton, Donald D. (1983). Principles of Stellar Evolution and Nucleosynthesis (in Englisch). University of Chicago Press. ISBN 0-226-10953-4.CS1 maint: unrecognized language (link)
^ Prialnik, Dina (2000). An Introduction to the Theory of Stellar Structure and Evolution (in Englisch). Cambridge UniversityPress. ISBN 0-521-65937-X.CS1 maint: unrecognized language (link)
^ Rolfs, Claus E. (1988). Cauldrons in the Cosmos: Nuclear Astrophysics (in Englisch). University of Chicago Press. ISBN 0-226-72457-3. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)CS1 maint: unrecognized language (link)
^ Kroupa, Pavel (2002). "The Initial Mass Function of Stars: Evidence for Uniformity in Variable Systems". Science (in Englisch). 295 (5552): 82–91. doi:10.1126/science.1067524. PMID 11778039. Retrieved 2007-12-03.CS1 maint: unrecognized language (link)