السيفيدس - النجوم البارزة في الكون

... أعطوا الطريقة الأكثر موثوقية
تعريف المسافات الكبيرة.
لكن التاريخ كله لعلم الفلك هو النقاش
عن المسافات. أولاً إلى القمر والشمس ،
ثم إلى النجوم والسدم والمجرات.
هارلو شبلي ، عالم الفلك

لا يوجد سوى بضع مئات من هذه النجوم النادرة في مجرتنا. تعمل هذه النجوم على تغيير سطوعها بشكل إيقاعي بفترات تصل إلى عدة عشرات من الأيام. النموذج الأولي هو النجم Alredif - ep Cepheus ، و Polar - α Ursa Minoris ينتمي إليهم أيضًا.

بمساعدة هذه النجوم ، نجحوا في تقدير المسافات إلى المجرات القريبة على مسافة تصل إلى حوالي 30 مليون بارسي.

النجوم التي لعبت وما زالت تلعب دورًا بارزًا في علم الفلك ، والنجوم التي دفعت آفاق الفضاء إلى عالم لا ينتهي من المجرات ، والصفراء الفائقة العملاقة والفرط العملاق هي السيفيدات الكلاسيكية .


Cepheid SU Cassiopeia في شارع 1411 سنوات من الأرض ، وتحيط بها سديم vdB 9.
غيوم مظلمة غبار تمتص الضوء مرئية. يعكس الغبار ضوء السيفيد ، مما يمنح vdB 9 لونًا أزرق مميزًا للسدم العاكسة.
تغطي الصورة مساحة حوالي 24 سنة

اليوم ، تعد السيفيدس واحدة من أكثر نجوم الكون التي لا غنى عنها للفيزيائيين الفلكية. "إنها" شموع قياسية "، كائنات لها لمعان معروف ، والتي يمكنك من خلالها حساب المسافات بدقة في الفضاء باستخدام الأساليب الضوئية.

السيفيدس له اعتماد رياضي واضح على لمعان الفترة ، والذي أعاد في عام 1908 من قبل هنريتا ليفيت ، راقب السيفيدس في السحابة الصغيرة ماجلاني. ويترتب على ذلك أنه كلما زاد طول نبضات Cepheid ، زاد لمعان النجم. لذلك ، من خلال مقارنة القيمة الأخيرة مع تألقها الواضح ، يمكنك معرفة المسافة إلى Cepheid ، وكذلك المجرة التي توجد فيها.

ولكن في بداية القرن العشرين ، فإن العالم الفلكي واثق من أن الكون يتكون من مجرة ​​واحدة - طريقنا اللبني. صحيح ، في المجتمع العلمي هناك بالفعل مناقشات نشطة حول المسافات إلى السدم الحلزونية.

يبدأ انهيار العالم الأحادي مع عالم الفلك الإستوني إرنست إبيك. - في عام 1922 ، استنادًا إلى اعتبارات الديناميات واستخدام البيانات المتعلقة بتناوب سديم أندروميدا ، يقدر المسافة إلى 450 كيلوبارسك (القيمة الحالية هي 772 كيلوبارسك أو 2.5 مليون سنة ضوئية).

في عام 1923 ، قام إدوين هابل ، الذي يستكشف اللوحات الفوتوغرافية من تلسكوب بحجم 100 بوصة في مرصد جبل ويلسون ، بتحديد المسافة إلى سديم أندروميدا من النجوم المتغيرة الستة والثلاثين الموجودة فيه. وعلى الرغم من أن التقديرات الأولى كانت حوالي 250 كيلوبارس ، إلا أن هذه القيم أخيرًا وبشكل لا لبس فيه تؤكد الطبيعة خارج السديم للسديم.

الآن نحن نعتبر الكون بالضبط عالم المجرات.


علامات E. هابل في أقحم في الزاوية اليمنى السفلى.

عند مقارنة اللوحات الفوتوغرافية المختلفة ، حاول E. Hubble العثور على لوحات جديدة - نجوم تعاني من زيادة مفاجئة في سطوع الإشعاع. وجد العديد من هذه النجوم ووضع علامة عليها بالحرف "N". بعد ذلك بقليل ، اكتشف أن أحد النجوم المفتوحة في الزاوية اليمنى العليا (التي تم تمييزها بخطوط) ليست جديدة ، لكنها نجمة متغيرة مثل Cepheids. ثم شطب "N" وكتب "VAR!" (المتغير الإنجليزي - متغير).
في الزاوية اليمنى العليا توجد صورة حديثة لـ Hubble تم التقاطها بعد حوالي 90 عامًا.

السيفيدس - النجوم المتغيرة

يتغير تألق أي نجم بمرور الوقت إلى درجة أو أخرى. وبالتالي ، فإن كمية الطاقة التي تطلقها الشمس تتغير بنسبة ~ 0.1 ٪ خلال دورة الشمس الحادية عشرة المعروفة. ولكن بكل تأكيد يمكن القول أن الشمس نجمة ثابتة.

لكن السيفيدس ، الذي ينتمي إلى عائلة واسعة ومتنوعة من النجوم المتغيرة ، والتي بلغ عددها الإجمالي في مجرتنا أكثر من مئات الآلاف ، يمكن أن يصل التغير في الطاقة المنبعثة إلى 600٪ في غضون أيام قليلة.


التغييرات في سطوع Cepheid V1 في مجرة ​​أندروميدا على مدار 31.4 يومًا.
صورة لتلسكوب هابل.


رسم بياني لتغييرات السطوع للنجمة نفسها. من الواضح أن هناك خاصية صعود حادة لسيفيدس وتراجع سلس في السطوع.
النقاط الحمراء - ملاحظات علماء الفلك الهواة والنجوم الصفراء - بيانات من تلسكوب هابل.

في بعض الأحيان يكون سبب تقلب النجوم هو أسباب هندسية بحتة. على سبيل المثال ، في نظام ثنائي متقارب من النجوم ، ببساطة نجمة واحدة تحجب الأخرى بشكل دوري ويبدو لنا أن النجم يصبح أكثر إشراقا أو باهتة.

ولكن في كثير من الأحيان يرتبط تقلب النجوم بحالتها الفيزيائية ، مع تغيرات حقيقية للغاية في درجة حرارة السطح ونصف قطر الشمس. والسبب في ذلك هو النبضات الشعاعية للغلاف الجوي النجمية حيث تتحرك الجزيئات الموجودة فيه لأعلى ولأسفل عموديًا. - يتقلص الغلاف الجوي ويتوسع دوريًا ، مع تغيير درجة حرارة السطوع والإشراق ونصف القطر (حتى 15٪) من النجم. الطبقات العميقة للنجم لا تؤثر على هذه النبضات.


الشمس والنبض السيفيد على نطاق واسع.


ولماذا ، على سبيل المثال ، لا تنبض شمسنا؟ دعونا نرى كيف تختلف النجوم التي تشبه الشمس و Cepheids الكلاسيكية.

الأقزام والعمالقة

السيفيدس عبارة عن نجوم ضخمة ، وزنها 4-12 شمسية ، في الماضي العمالقة الحارة الزرقاء من الفئة الطيفية ب.

هذه نجوم قصيرة العمر ، لا يتجاوز عمرها عشرات الملايين من السنين. لقد تطورت بالفعل ، بعد أن استنفدت الهيدروجين في النواة ، وانتقلت إلى مرحلة حرق الهيليوم (سيحترق الهيدروجين في شمسنا 6.4 مليارات سنة أخرى).

الآن درجات الحرارة على أسطحها منخفضة جدًا ، حوالي 6000 درجة ، والتي تصنفها بفئتي الطيف الأصفر والأبيض والأصفر F و G (تنتمي الشمس أيضًا إلى الفئة G).
ومع ذلك ، فإن أنصاف أقطار هذه الفائقات العملاقة والفائقة هي من 50 إلى 70 شمسية ، وأن لمعان السيفيدس يتجاوز الطاقة الشمسية بآلاف ، أو حتى عشرات الآلاف من المرات. لذلك ، تكون هذه النجوم مرئية من مسافات بين المجرات ، على وجه الخصوص. ليس من قبيل الصدفة أن تسمى السيفيدس "منارات الكون".


NGC 4603 مع 36 سبيدس ثابت. - واحدة من أبعد المجرات التي لا تزال النجوم الفردية تختلف. (النجوم المشرقة ذات قمم الحيود هي كائنات من مجرتنا.)
تقع في 108 مليون شارع سنوات منا. الصورة هابل.

تمر جميع النجوم الضخمة ، أثناء تطورها ، عاجلاً أم آجلاً بعصر عدم الاستقرار (أو شريط عدم الاستقرار في مخطط هيرتزبرونغ روسل ). علاوة على ذلك ، اعتمادا على الكتلة يحدث ذلك عدة مرات.

السيفيدس ليس استثناءً هنا - فهذه النجوم في "وقت مضطرب" من حياتهم. - في جوهرها ، هم في طور حرق الهيليوم ، بينما تخضع النجوم لتغيرات تطورية معقدة. اعتمادًا على كتلة النجم وعمره ، تستمر هذه المراحل من عدم الاستقرار من 10 إلى 350 ألف عام. خلال هذا الوقت القصير أثناء النبضات ، يخرج النجم جزءًا كبيرًا من كتلته في الفضاء بين النجوم ، ويعود الفضل في ذلك إلى حالة مستقرة. من الآمن أن نقول إن السيفيدس لا يولد - بل يصبح السيفيد.

وكما قال M. Schwarzschild ذات مرة: "عندما يكون النجم في الشريط Cepheid ، فإنه يشبه الشخص المصاب بالحصبة. "إذا كان الشخص مريضًا ، فيمكن رؤية ذلك منه للوهلة الأولى ، ولكن بعد الشفاء ، لم يعد من الممكن القول ما إذا كان مصابًا بالحصبة أم لا."

فلماذا هم الخفقان؟

لم يستطع علماء الفيزياء الفلكية لفترة طويلة العثور على أسباب هذه النبضات. بعد كل شيء ، نجم في توازن قوتين - ضغط الغاز الداخلي والجاذبية. إذا تم إخراج مثل هذا النظام من التوازن ، ثم بدون تدفق الطاقة ، فإن التذبذبات الحرة فيه سوف تبلل بسرعة وسيأتي النظام مرة أخرى إلى حالة توازن. تشير الحسابات إلى أنه يكفي لنجم أن ينتج من 5 إلى 10 آلاف تذبذب (أي حوالي 100 عام) للوصول إلى التوازن. ومع ذلك ، فإن دلتا Cepheus نفسها ، التي اكتشفت في عام 1784 ، تنبض بقوة ثابتة.

ما الذي يجعل الجو النجمي ينبض إذا تم توليد الطاقة الناتجة عن الاندماج النووي في عمق الأمعاء ، وفي الجو نفسه لا توجد مصادر للطاقة؟ بعد كل شيء ، فإن فترة النبض من السيفيدس هي تلك المعلمة الأكثر أهمية ، ومعرفة أي منها ، يمكنك تحديد المسافة إلى هذا النجم.

في النجوم مثل شمسنا ، الأقزام الكثيفة ، يكون نقل الطاقة على السطح بسبب الحمل - خلط بسيط للمادة. - انخفاض الطبقات الباردة ، الطبقات الساخنة ، التي يتم تسخينها من أسفل بواسطة الطاقة من القلب ، ترتفع.

إن الجاذبية السطحية للأقزام كبيرة ، والمادة الموجودة بالقرب من الغلاف الجوي فيها عالية الكثافة وشفافة ، وبطريقة أخرى لا يمكن جلب الطاقة إلى السطح.

على العكس من ذلك ، في الطبقات العملاقة ، تكون الطبقات العليا متناثرة وشفافة ، ونتيجة لذلك يتم نقل الطاقة إلى السطح بسبب النقل الإشعاعي (يتم إعادة التشعيع من جسيم إلى آخر).



الآن تخيل أن يكون للعملاق طبقة غاز رقيقة في الغلاف الضوئي (الجزء السفلي من الغلاف الجوي) يفقد شفافيته مع زيادة درجة الحرارة. ماذا يحدث بعد ذلك؟ - عندما يتم ضغط النجم ، فإن الإشعاع القادم من الأمعاء إلى السطح يتصادم مع هذه الطبقة الساخنة المعتمة. في الوقت نفسه ، تسخن الطاقة بدرجة أكبر وتتسع الطبقة ، مثل أي غاز طبيعي. عند التوسع ، يبرد ويفقد التعتيم. الطاقة تنفجر والآن تسود قوة الجاذبية على ضغط الغاز - النجم يتقلص مرة أخرى. وهكذا في دائرة.

وتسمى هذه الآلية من نبض الجو النجمي "آلية صمام" (عن طريق القياس مع محرك الحرارة ، حيث يتم تنفيذ تدفق الحرارة أثناء الضغط باستخدام الصمامات.)

الاسم الشائع الآخر لهذه الآلية هو آلية كابا ، لأن غموض المادة النجمية في الفيزياء الفلكية يشار إليها عادةً بالحرف اليوناني κ (كابا).

لعبت الدور الرئيسي في هذه الآلية من قبل ما يسمى منطقة تأين مزدوج الهيليوم الحرجة. هذه هي المنطقة التي يتم خلالها تأجيل الهليوم أثناء دورة النبضات إلى نواة "عارية" أو إعادة توحيدها مرة أخرى إلى حالة تم تأينها مرة واحدة. (من الخصائص المهمة للهيليوم هنا أنه تم تأينه مرة واحدة - إنه أكثر شفافية بكثير مما كان عليه عندما تمزق الإلكترونان). عند الضغط ، ترتفع درجة الحرارة ، وكلما زاد تسخين الهيليوم ، كلما تأينت أكثر. يستغرق الطاقة ، والتي ، وبالتالي ، يتم تأخير في هذه الطبقة. أثناء التوسيع اللاحق ، يعيد تجميع الهيليوم (يربط الإلكترون ويصبح مؤينًا مرة واحدة) ، يتم تسليط الضوء على الطاقة ويترك المنطقة.


مبدأ κ الميكانيكية.
السهام الحمراء تشير إلى الطاقة القادمة من أحشاء النجمة ، الجاذبية الزرقاء.

في الخمسينيات من القرن العشرين ، اكتشف S. A. Zhevakin ، عالم فيزياء سوفيتي طور فكرة "آلية الصمامات" في Eddington ، هذا المتغير الخاص لآلية responsible المسؤولة عن نبضات النجوم المتغيرة من أنواع كثيرة ، ولا سيما Cepheids ومتغيرات النوع RR Lyrae الآخرين.

لماذا كان E. هابل خطأ؟

إذا كانت السيفيدات الكلاسيكية عبارة عن مكتشفات دقيقة المدى لدرجة أنه عند تحديد المسافات حتى للمجرات البعيدة ، يكون الخطأ حوالي 15-20٪ ، فلماذا تشكل E. Hubble مع سديم Andromeda 300٪؟

في السابق ، كانت كل النجوم المشابهة لـ Cepheids في مورفولوجيا منحنى الضوء تشير إلى Cepheids بشكل عشوائي. اكتشف الفلكيون الفرق فقط في الأربعينيات من القرن الماضي ، عندما أصبح واضحًا أن السيفيدات الحقيقية تنقسم إلى نوعين مختلفين تمامًا من النجوم: السيفات من النوع الأول - السيفيدات الكلاسيكية والسيفيد من النوع الثاني أو متغيرات النوع W من العذراء . اللمعان الأخير أقل بعدة مرات من اللمعان. المتغيرات من نوع W Virgo أو Cepheids من العناقيد الكروية ، على الرغم من أنها قريبة من خصائصها إلى Cepheids الكلاسيكية ، لها معاملات وفترات مختلفة قليلاً من النبضات.

في عام 1918 ، قام H. Shapley ، الباحث المعروف للنجوم المتغيرة ، بمراجعة الاعتماد على فترة اللمعان وشمل جميع السيفيدس في معايرة واحدة. (نعلم اليوم أن عينة Shapley كانت غير متجانسة ، وليس كل هذه النجوم لها نفس اللمعان لنفس الفترة). لذا ، فإن هابل ، عند النظر إلى السيفيدات الكلاسيكية لسديم أندروميدا ، لم يطبق الصيغ المطلوبة لها ، وهذا هو سبب ظهور مثل هذا الخطأ المنهجي مع المسافة.

كم "انتظر البحر من أجل الطقس"؟

تعتبر السيفيدس الكلاسيكية متغيرات طويلة الأجل. تصل فترات نبضاتهم إلى 200 يوم. السيفيدس من النوع الثاني - حتى 35 يومًا.


السيفيدات لفترات مختلفة في المجرة NGC 5584 في 70 مليون ش سنة
الصورة هابل في الأشعة فوق البنفسجية ، نطاقات مرئية والأشعة تحت الحمراء.

لا تعتمد فترات السيفيدس الكلاسيكية على كتلهم فحسب ، بل تعتمد أيضًا على العمر - فمع تطور السيفيد ، تنخفض فترته: بالنسبة إلى عمر 10 ملايين عام ، تبلغ هذه الفترة حوالي 50 يومًا ، ويستغرق العمر حوالي 100 مليون عام تقريبًا.

مثال حي على هذا الاعتماد هو نجمنا القطبي القديم (α Ursa Minorum) الذي يبلغ عمره 60 مليون عامًا وفترة 3.97 يومًا. في أواخر الثمانينات. لوحظ انخفاض واضح في سعة نبضاتها. كان من المتوقع أنه بحلول منتصف 1990s. سوف القطبية وقف ليكون Cepheid على الإطلاق. إذا توقف Polyarnaya عن النبض ، فستكون هذه هي أول حالة يتم اكتشافها لوقف نبضات Cepheid.

ومع ذلك ، تظهر بيانات السنوات الأخيرة أن الانخفاض في سعة نبضات Polyarnaya توقف بشكل حاد في حوالي عام 1993 ، ومنذ ذلك الحين لم يتغير حجم التغييرات في سطوعها.

تعريف ثابت هابل

لا تزال مهمة تحديد ثابت هابل اليوم حادة للغاية ، حيث يعتمد مقياس الكون ، متوسط ​​كثافته ، وعمره على قيمته. - يشير ثابت هابل إلى السرعة التي يتسع بها الكون ، من "الانفجار الكبير" الأصلي ، مع السرعة المتزايدة بين مجموعات المجرات.

لإحدى طرق قياس ثابت هابل ، تحتاج إلى معرفة المسافة إلى المجرات (هذه القيمة مضمنة في قانون هابل ). السيفيدس يأتي إلى الإنقاذ ، بالطبع. النجوم مطلوبة تتراوح من ~ 12 إلى ~ 100 مليون سف. سنة - على مسافات أطول ، لم يعد السيفيدس يختلف ، ولكن أقرب من 12 مليون شارع سنوات في مجموعتنا المحلية من المجرات ، تسود الجاذبية على قانون التوسع في الكون. لذلك ، من المريح استخدام أقرب مجموعة من المجرات في برج العذراء ككائن للبحث في السيفيدس.


التغير في السطوع لأحد السيفيدات في المجرة M100 ، والذي هو جزء من مجموعة برج العذراء في 56 مليون شارع سنة

على مسافات تزيد عن 100 مليون ش سنوات تستخدم المزيد من "الشموع القياسية" طويلة المدى - من النوع السوبرنوفا Ia ، والتي يمكن رؤيتها على بعد حوالي مليار من البارسك.
يتم معايرتها مرة أخرى ضد السيفيدس من نفس المجرة التي انفجرت فيها المستعرات العظمى.


Galaxy UGC 9391 at 130 مليون دولار تقريبًا سنة
Cepheids - دوائر حمراء ، من النوع Ia supernova المومض حديثًا - صليب أزرق.


Galaxy NGC 3021 at 92 مليون St. سنة
السيفيدس مُعلَّمة بدوائر خضراء ، ويتفشى اندلاع المستعر الأعظم SN 1995 في اللون الأحمر.

في الوقت الحالي ، يبلغ ثابت هابل ، الذي يتم قياسه بالطرق الضوئية باستخدام السيفيدات والمستعرات الأعظمية التي تمت ملاحظتها بواسطة تلسكوب هابل ، حوالي 73 (كم / ث) / Mpc (وهذا يعني أنه في حالة وجود جثتين على مسافة مليون بارسية (3.2 مليون سنة ضوئية) ، ثم يمتد الفضاء بينهما بمعدل يبدو للمراقب في إحدى الجثث أن الجسم الآخر يبتعد عنه بسرعة 73 كيلومترًا في الثانية.)

هذا هو 7-8 ٪ أكثر من ذلك يحدد من قبل المعلمات الإشعاعية relict - 67.4 (km / s) / Mpc. أسباب هذا التناقض الكبير ليست واضحة بعد ، ولا تزال القيمة الدقيقة لثابت هابل موضع تساؤل.

ومع ذلك ، فإن البيانات الضوئية من القمر الصناعي Gaia تعطي 69 كم / ثانية / Mpc. هل البيانات من تلسكوب هابل خاطئة؟ - دعونا لا نتقدم على أنفسنا. يمكن إجراء استنتاجات أكثر دقة بعد نشر كتالوج Gaia الثالث ، والذي سيأخذ في الاعتبار تباين السيفيدس نفسه.

حسنًا ، في الختام ، دعنا نعجب بأجمل سُفن من درب التبانة - RS Korma محاطًا بسديمها.

النجم أكبر بعشر مرات من الشمس وحوالي 15 ألف مرة أكثر إشراقًا.



بفضل السدم العاكس الذي يحيط بالنجم ، تم اكتشاف ظاهرة فلكية - تأثير الصدى الخفيف . هذا التأثير يشبه إلى حد بعيد صدى الصوت. أثناء الفلاش ، يصل جزء من الضوء على الفور إلى عيون المراقب ، ويتم الاحتفاظ بجزء منه في مادة السديم ويصل إليه بعد مرور بعض الوقت. لهذا السبب ، ينشأ وهم هندسي بأن سحابة الغاز تتوسع بسرعة فائقة. أتاح تأثير صدى الضوء في عام 2008 إمكانية قياس المسافة بدقة إلى RS Stern - 6،500 St. سنة


صدى خفيف من Cepheids RS Poop.