تُظهر محاكاة لنجم كتلته 3 شمسي نواة الحمل المركزية والموجات التي يولدها في باقي الأجزاء الداخلية للنجم. الائتمان: فيليب إيدلمان
يشير علماء الفلك عادة إلى النجوم الضخمة على أنها المصانع الكيميائية للكون. إنهم عمومًا ينهون حياتهم في مستعرات أعظم مذهلة ، وهي أحداث تشكل العديد من العناصر في الجدول الدوري. إن كيفية اختلاط النوى الأولية داخل هذه النجوم الهائلة له تأثير كبير على فهمنا لتطورها قبل انفجارها. كما أنه يمثل أكبر قدر من عدم اليقين للعلماء الذين يدرسون هيكلها وتطورها.
قام فريق من علماء الفلك بقيادة May Gade Pedersen ، باحثة ما بعد الدكتوراه في معهد Kavli للفيزياء النظرية بجامعة كاليفورنيا بسانتا باربرا ، بقياس الاختلاط الداخلي داخل مجموعة من هذه النجوم باستخدام ملاحظات موجات من عمقها الداخلي. بينما استخدم العلماء هذه التقنية من قبل ، فإن هذه الورقة تمثل المرة الأولى التي يتم فيها تحقيق ذلك لمثل هذه المجموعة الكبيرة من النجوم في وقت واحد. النتائج المنشورة في طبيعة علم الفلك، تبين أن الاختلاط الداخلي شديد التنوع ، مع عدم وجود اعتماد واضح على كتلة النجم أو عمره.
تقضي النجوم معظم حياتها في دمج الهيدروجين في الهيليوم في أعماق قلبها. ومع ذلك ، فإن الاندماج في النجوم الضخمة بشكل خاص يتركز في المركز لدرجة أنه يؤدي إلى قلب حمل مضطرب يشبه وعاء الماء المغلي. يعمل الحمل الحراري ، جنبًا إلى جنب مع العمليات الأخرى مثل الدوران ، على إزالة رماد الهليوم بشكل فعال من القلب واستبداله بالهيدروجين من الغلاف. هذا يمكّن النجوم من العيش لفترة أطول بكثير مما كان متوقعًا.
يعتقد علماء الفلك أن هذا الاختلاط ينشأ عن ظواهر فيزيائية مختلفة ، مثل الدوران الداخلي والموجات الزلزالية الداخلية في بلازما متحمس من جوهر الحمل الحراري. ومع ذلك ، ظلت النظرية غير مقيدة إلى حد كبير بالملاحظات لأنها تحدث في أعماق النجم. ومع ذلك ، هناك طريقة غير مباشرة للتحديق في النجوم: علم الزهرة النجمية ، ودراسة وتفسير التذبذبات النجمية. تتشابه هذه التقنية مع كيفية استخدام علماء الزلازل للزلازل لاستكشاف باطن الأرض.
يؤدي الخلط إلى نقل المواد المنصهرة بعيدًا واستبدالها بمزيد من وقود الهيدروجين من الطبقات الخارجية للنجم. الائتمان: ماي جيد بيدرسن
قال بيدرسن: "إن دراسة التذبذبات النجمية تتحدى فهمنا للبنية النجمية والتطور". "إنها تسمح لنا بالتحقيق مباشرة في التصميمات الداخلية النجمية وإجراء مقارنات مع التنبؤات من نماذجنا النجمية."
تمكنت بيدرسن ومعاونوها من جامعة KU Leuven وجامعة هاسيلت وجامعة نيوكاسل من اشتقاق الخلط الداخلي لمجموعة من هذه النجوم باستخدام علم الزهرة النجمية. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تحقيق مثل هذا الإنجاز ، وكان ممكنًا بفضل عينة جديدة من 26 نجمًا من النوع B النابض ببطء مع التذبذبات النجمية المحددة من وكالة ناسامهمة كبلر.
النجوم النابضة ببطء أكبر من الشمس بثلاث إلى ثماني مرات. تتوسع وتتقلص وفقًا لمقاييس زمنية تتراوح من 12 ساعة إلى 5 أيام ، ويمكن أن تتغير في السطوع بنسبة تصل إلى 5٪. وأوضح بيدرسن أن أوضاع تذبذبها حساسة بشكل خاص للظروف بالقرب من القلب.
قال بيدرسن: "لقد تم الآن قياس الاختلاط الداخلي داخل النجوم من خلال الملاحظة واتضح أنه متنوع في عينتنا ، حيث أن بعض النجوم ليس لها اختلاط تقريبًا بينما يكشف البعض الآخر عن مستويات أعلى بمليون مرة". تبين أن التنوع لا علاقة له بكتلة النجم أو عمره. بدلاً من ذلك ، يتأثر بالدوران الداخلي بشكل أساسي ، على الرغم من أن هذا ليس العامل الوحيد في اللعب.
وأضافت: "تسمح نتائج علم الفلك في النهاية لعلماء الفلك بتحسين نظرية الاختلاط الداخلي للنجوم الضخمة ، والتي ظلت حتى الآن غير مُعايرة من خلال الملاحظات القادمة مباشرة من عمقها الداخلي".
تعتمد الدقة التي يستطيع بها علماء الفلك قياس التذبذبات النجمية بشكل مباشر على المدة التي يُرصد فيها النجم. ينتج عن زيادة الوقت من ليلة واحدة إلى عام واحد زيادة قدرها ألف ضعف في الدقة المقاسة لترددات التذبذب.
قال لارس بيلدستن ، مدير KITP ، أستاذ الفيزياء النظرية في Gluck: "لقد أظهرت ماي ومعاونوها حقًا قيمة الملاحظات الزلزالية النجمية كمسابر للديكورات الداخلية العميقة للنجوم بطريقة جديدة وعميقة". "أنا متحمس لرؤية ما ستجده بعد ذلك."
تأتي أفضل البيانات المتاحة حاليًا لهذا الغرض من مهمة الفضاء كبلر ، التي رصدت نفس الرقعة من السماء لمدة أربع سنوات متواصلة. كانت النجوم البطيئة النبضة من النوع B هي النجوم النابضة ذات الكتلة الأكبر التي لاحظها التلسكوب. في حين أن معظمها أصغر قليلاً من أن تتحول إلى مستعر أعظم ، إلا أنها تشترك في نفس البنية الداخلية مثل المصانع الكيميائية النجمية الأكثر ضخامة. يأمل بيدرسن أن تلقي الرؤى المستمدة من دراسة النجوم من النوع B ستلقي الضوء على الأعمال الداخلية لنظرائهم من النوع O ذات الكتلة الأعلى.
إنها تخطط لاستخدام البيانات من قمر ناسا العابر لاستطلاع الكواكب الخارجية (TESS) لدراسة مجموعات النجوم عالية الكتلة المتذبذبة في جمعيات OB. تتكون هذه المجموعات من 10 إلى أكثر من 100 نجم ضخم بين 3 و 120 كتلة شمسية. وأوضحت أن النجوم في جمعيات OB تولد من نفس السحابة الجزيئية وتتشارك في أعمار مماثلة. توفر العينة الكبيرة من النجوم ، والقيود من أعمارها المشتركة ، فرصًا جديدة ومثيرة لدراسة خصائص الاختلاط الداخلي للنجوم عالية الكتلة.
بالإضافة إلى الكشف عن العمليات المخبأة داخل النجوم الداخلية ، يمكن أن توفر الأبحاث حول التذبذبات النجمية أيضًا معلومات عن الخصائص الأخرى للنجوم.
أوضح بيدرسن أن "التذبذبات النجمية لا تسمح لنا فقط بدراسة الاختلاط الداخلي ودوران النجوم ، ولكن أيضًا تحديد الخصائص النجمية الأخرى مثل الكتلة والعمر". "في حين أن كلاهما من أكثر المعلمات النجمية الأساسية ، إلا أنهما من أصعب المعايير في القياس."
المرجع: "الخلط الداخلي للنجوم الدوارة المستنتج من أوضاع الجاذبية ثنائية القطب" بقلم ماي جي بيدرسن ، كوني أيرتس ، بيتر آي. . بومان ، 10 مايو 2021 ، طبيعة علم الفلك.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01351-x
