كيف تتشكل النجوم وتتطور: علم دورة حياة النجوم

كل نجم مرئي الآن في سماء الليل بدأ بنفس الطريقة: كغاز بارد يتحرك داخل سحابة جزيئية. وفقاً لناسا ساينس، تتكون هذه السحب في الغالب من الهيدروجين والغبار، وهي باردة بدرجة كافية ليتجمع الغاز معاً، وتنتج جيوباً كثيفة حيث تخلق الاضطرابات عقد غير مستقرة من حيث الجاذبية.

الولادة في سحابة جزيئية

عندما تصبح عقدة كثيفة داخل سحابة جزيئية ضخمة بدرجة كافية، تنهار تحت جاذبيتها الخاصة. يصف بوابة الوكالة الأوروبية للفضاء التعليمية السدم — السحب العملاقة من الغاز الموجودة في الأذرع الحلزونية للمجرات — باعتبارها المادة الخام لهذه العملية، مشيرة إلى أنه يمكن تشغيل السديم للانهيار بسبب محفز خارجي مثل انفجار مستعر أعظم قريب أو تصادم بين السحب.

توضح مجموعة المرصد لاس كومبريس أوبزرفاتوري الحجم المشمول برصد نموذجي لسحابة جزيئية يبلغ عرضها حوالي 1.2 سنة ضوئية وتقريباً 10 كلفن (-263 درجة مئوية) — قريبة من الصفر المطلق. عندما تنهار مثل هذه السحابة، تبدأ في الدوران، وتتسطح إلى قرص به لب كثيف وآخذ في الاحترار في المركز.

من نجم أولي إلى نجم حقيقي

يُطلق على اللب الآخذ في الاحترار نجم أولي. وفقاً لمرصد لاس كومبريس، يتوهج النجم الأولي من حرارة الانكماش الجاذبي وحده — لم يصبح بعد نجماً بالمعنى الاندماجي. وتضيف المواد التعليمية للوكالة الأوروبية للفضاء أن القرص الأولي المحيط يستمر في توفير الكتلة على اللب من خلال التراكم، بينما يقود المجال المغناطيسي الدوار للجسم الشاب الرياح الخارجة والنفاثات التي تزيل تدريجياً الغاز والغبار المتبقيين.

يستمر النجم الأولي في الانكماش والاحترار حتى تتجاوز درجة حرارة لبه تقريباً 10 ملايين كلفن. عند هذه النقطة، يمكن لنوى الهيدروجين أن تندمج في الهيليوم، مما يطلق الطاقة ويوقف الانهيار الإضافي. تحدد كل من ناسا ساينس والوكالة الأوروبية للفضاء هذه اللحظة — إشعال الاندماج النووي المستدام للهيدروجين — كنقطة يصبح فيها النجم الأولي نجماً في المتسلسلة الرئيسية. وفقاً لمرصد لاس كومبريس، يعتمد طول هذه المرحلة من الانكماش السابق للمتسلسلة الرئيسية بشكل حاد على الكتلة: يمكن للنجم الأولي الضخم أن ينهار إلى نجم في حوالي مليون سنة، والنجم الأولي الشبيه بالشمس يستغرق تقريباً 50 مليون سنة، والنجوم الأولية منخفضة الكتلة يمكن أن تستغرق أكثر من 100 مليون سنة.

المتسلسلة الرئيسية: منتصف عمر طويل يعتمد على الكتلة

بمجرد بدء الاندماج، يدخل النجم المتسلسلة الرئيسية، المرحلة المستقرة التي يقضي فيها الجزء الأكبر من حياته بتحويل الهيدروجين إلى هيليوم في لبه. تنص ناسا ساينس على أن جميع النجوم تقضي معظم وجودها بهذه الطريقة، لكن المدة التي تستمر فيها هذه المرحلة تعتمد حتماً تقريباً على الكتلة: تحرق النجوم الأكثر ضخامة الهيدروجين بسرعة أكبر بكثير من النجوم الأصغر، على الرغم من أنها تبدأ باحتياطيات وقود أكبر.

تظهر هذه الأرقام، المستمدة من مواد التعليم حول تطور النجوم التابعة للوكالة الأوروبية للفضاء، السبب في أن النجوم الأكثر ضخامة وسخونة هي أيضاً الأقصر عمراً: نجم من نوع O بكتلة حوالي 40 كتلة شمسية يحترق في حوالي مليون سنة، بينما يمكن للقزم الأحمر بكتلة حوالي نصف كتلة الشمس نظرياً الاستمرار في دمج الهيدروجين لعشرات المليارات من السنين، أطول من وجود الكون.

الموت: ثلاث نهايات مختلفة

تتفق ناسا ساينس والوكالة الأوروبية للفضاء على أن كتلة النجم تقرر أيضاً كيف يموت. تتضخم النجوم الشبيهة بالشمس والنجوم منخفضة الكتلة لتصبح عمالقة حمراء عندما ينفد الهيدروجين في اللب، ثم تلقي بطبقاتها الخارجية على شكل قشرة مضيئة من الغاز — سديم كوكبي — تاركة وراءها لباً ساخناً وكثيفاً جداً يسمى قزماً أبيض. تصف الوكالة الأوروبية للفضاء الأقزام البيضاء بأنها تصل إلى كثافة تزيد عن 1000 كيلوغرام لكل سنتيمتر مكعب، والتي تبرد تدريجياً على مدى فترات زمنية هائلة.

تلتقي النجوم التي يبلغ وزنها حوالي ثمانية كتل شمسية أو أكثر بنهاية أكثر عنفاً بكثير. تصف مواد الوكالة الأوروبية للفضاء النجوم متوسطة الكتلة (حوالي 8 إلى 20 كتلة شمسية) بأنها تمر عبر مراحل اندماج متتالية من الكربون والأكسجين والنيون والسيليكون والحديد قبل أن تنهار بشكل كارثي في مستعر أعظم من النوع الثاني، تاركة نجم نيوترون خلفها. تلاحظ ناسا ساينس بالمثل أن النجوم الأكثر ضخامة من الشمس بكثير تنتهي بانفجارات مستعرة عظمى تنثر العناصر المصنوعة بداخلها مرة أخرى في الفضاء.

بالنسبة للنجوم الأكثر ضخامة، تنص الوكالة الأوروبية للفضاء على أنه إذا تجاوز لب الباقي المنهار تقريباً ثلاث كتل شمسية، فإن حتى الضغط الشديد الذي يدعم نجم نيوترون لا يمكن أن يمسكه، وينهار بشكل أعمق إلى ثقب أسود — جسم تصفه ناسا ساينس بأنه يمتلك جاذبية "مكثفة جداً بحيث لا يمكن حتى للضوء أن يهرب".

إعادة التدوير إلى نجوم جديدة

المادة التي يطلقها نجم مُحتضر لا تختفي. تلاحظ ناسا ساينس أن المادة المقذوفة في مستعر أعظم أو التي تلقيها نجم شبيه بالشمس مُحتضر تعود إلى الوسط بين النجمي، مما يغنيه بالعناصر المصنوعة بالاندماج ويسمح لنجوم جديدة — وربما أنظمة كوكبية جديدة — بالتشكل من الأنقاض. هذه الدورة من الانهيار والاندماج والتشتت هي ما يشير إليه الفلكيون جماعياً باسم دورة حياة النجم.