مم تتكون النجوم: التركيب الكيميائي والفيزيائي للنجم

النجوم هي أجرام سماوية ضخمة تتكون أساسًا من مواد غازية متوهجة تشع الضوء والحرارة عبر عمليات فيزيائية وكيميائية معقدة تحدث في باطنها. يشكل فهم تركيب النجوم حجر الزاوية في علم الفلك وعلم الفضاء، حيث تساعدنا معرفة مكوناتها في تفسير كيفية تكوّنها، تطورها، ونهايتها. هذا المقال يعرض دراسة معمقة عن مكونات النجوم، بدءًا من العناصر الأولية التي تتكون منها إلى العمليات التي تحدث داخلها، مع التركيز على الفروق بين أنواع النجوم المختلفة بناءً على تركيبها.

مقدمة عامة عن النجوم

النجوم هي مصادر الضوء والطاقة في الكون، وتشكل أساساً للحياة بفضل إشعاعاتها وتأثيرها على البيئة المحيطة. تبدأ حياة النجم من سحب ضخمة من الغاز والغبار الكوني، تعرف بالسُدم، والتي تنهار بفعل الجاذبية لتتحول إلى جسم مكثف يمر بمراحل عديدة حتى يصبح نجماً مستقراً قادرًا على إشعاع الطاقة.

التركيب الكيميائي الأساسي للنجوم

تتكون النجوم بشكل رئيسي من الغازات، وخاصة الهيدروجين والهيليوم، حيث يشكل الهيدروجين حوالي 70-75% من كتلة النجم، والهيليوم حوالي 24-28%، بينما تمثل بقية العناصر حوالي 1-2% فقط، لكنها تلعب دوراً هاماً في العمليات الفيزيائية داخل النجم.

1. الهيدروجين (H)

الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في النجوم ويشكل الوقود الأساسي لعملية الاندماج النووي التي تحدث في لب النجم. يتكون الهيدروجين في النجوم على شكل ذرات فردية أو أيونات، ويتحول خلال تفاعلات الاندماج إلى هيليوم، مطلقًا كمية هائلة من الطاقة التي تظهر في صورة ضوء وحرارة.

2. الهيليوم (He)

الهيليوم هو العنصر الثاني الأكثر شيوعاً، ويتكون بشكل رئيسي من نوى ذرات الهيدروجين بعد دمجها. يتجمع الهيليوم في مركز النجم بعد استهلاك جزء كبير من الهيدروجين، ويشارك أيضاً في مراحل لاحقة من الاندماج النووي، حيث يمكن أن يتحول إلى عناصر أثقل في النجوم الأكبر.

3. العناصر الأثقل (المعادن)

تشكل العناصر الأثقل نسبة ضئيلة جداً من كتلة النجوم لكنها تلعب دوراً بالغ الأهمية في تركيب النجوم وتأثيراتها الفيزيائية والكيميائية. وتشمل هذه العناصر الكربون، الأكسجين، النيتروجين، الحديد، والسيليكون. تُعرف هذه المجموعة من العناصر في علم الفلك بالمصطلح “المعادن”، وتشير إلى أي عنصر أثقل من الهيليوم.

• الحديد (Fe): يعتبر عنصر الحديد من العناصر الأساسية التي تحدد مصير النجم، خاصة في النجوم الضخمة، حيث يصل الاندماج النووي في مراكزها إلى الحديد قبل أن تبدأ مرحلة الانهيار والنهاية النجمية.

• الكربون والأكسجين والنيتروجين: تلعب دوراً رئيسياً في عمليات اندماج لاحقة في النجوم المتقدمة، وتشارك في التفاعلات التي تؤدي إلى تكوين عناصر جديدة.

التركيب الفيزيائي الداخلي للنجوم

تختلف خصائص التركيب الداخلي للنجم بحسب حجمه ومرحلة تطوره، لكن يمكن تقسيمها بشكل عام إلى طبقات مختلفة تتميز بدرجات حرارة وكثافة متباينة.

1. اللب (Core)

لب النجم هو المنطقة التي تحدث فيها التفاعلات النووية، حيث تكون درجة الحرارة والكثافة مرتفعتين للغاية. في النجوم مثل الشمس، يتم تحويل الهيدروجين إلى هيليوم عبر سلسلة بروتون-بروتون أو دورة كربون-نيتروجين-أكسجين، وهذه العمليات هي مصدر الطاقة الأساسية التي تدفع النجم للسطوع.

2. المنطقة الإشعاعية (Radiative Zone)

خارج اللب مباشرة توجد المنطقة الإشعاعية، حيث تنتقل الطاقة الناتجة عن الاندماج النووي عبر الفوتونات التي تنتقل تدريجياً إلى الخارج. تكون هذه المنطقة أقل كثافة من اللب، والانتقال فيها يعتمد على امتصاص وإعادة انبعاث الفوتونات.

3. المنطقة الحملية (Convective Zone)

المنطقة الحملية تقع خارج المنطقة الإشعاعية، حيث تنقل الحرارة عبر حركة المادة نفسها، أي عبر تيارات الحمل. في هذه المنطقة ترتفع المادة الساخنة إلى الأعلى بينما تهبط المادة الباردة إلى الداخل، مما يساعد على نقل الحرارة بسرعة إلى سطح النجم.

4. الغلاف النجمي (Stellar Atmosphere)

الطبقة الخارجية التي نراها كسطح النجم تسمى الغلاف النجمي. يتكون الغلاف من عدة طبقات مثل الفوتوسفير (السطح المرئي)، والكروموسفير، والتاج الشمسي في حالة النجوم مثل الشمس. في هذه الطبقات تكون درجة الحرارة أقل بكثير من داخل اللب لكنها ما زالت عالية جداً مقارنة مع الأرض، وتتحكم في انبعاث الضوء والأشعة المرئية.

مراحل تطور تركيب النجوم

لا يبقى تركيب النجم ثابتاً طوال حياته، بل يتغير مع مرور الزمن حسب المرحلة التطورية التي يمر بها النجم.

1. مرحلة النجوم الوليدة

تبدأ النجوم من تجمعات غازية كثيفة تحتوي أساساً على الهيدروجين والهيليوم بنسبة عالية، مع وجود كميات ضئيلة جداً من العناصر الأثقل. أثناء الانكماش تحت تأثير الجاذبية، ترتفع درجة الحرارة وتبدأ تفاعلات الاندماج النووي.

2. مرحلة التسلسل الرئيسي (Main Sequence)

تشكل هذه المرحلة أغلب حياة النجم، حيث يكون الاندماج النووي الهيدروجيني إلى هيليوم هو النشاط الأساسي. في هذه المرحلة يبقى تركيب النجم مستقراً نسبياً مع نسبة كبيرة من الهيدروجين في الطبقات الخارجية.

3. مرحلة العمالقة الحمراء والنجوم العملاقة

مع انتهاء الهيدروجين في اللب، يبدأ النجم بحرق الهيليوم والعناصر الأثقل، مما يغير تركيب اللب والطبقات المحيطة. تتوسع الطبقات الخارجية وينخفض كثافتها، بينما يتغير تركيب اللب ليشمل عناصر مثل الكربون، الأكسجين، النيتروجين، وأحياناً الحديد.

4. مرحلة النهاية

في النجوم ذات الكتل الكبيرة، يؤدي تكدس العناصر الثقيلة مثل الحديد في اللب إلى فقدان التوازن الداخلي، مما يسبب انهيار النجم وانفجاره على شكل سوبرنوفا، وينتج عن ذلك تشكل نجوم نيوترونية أو ثقوب سوداء. في النجوم الأصغر، مثل الشمس، تتحول إلى قزم أبيض بعد طرح الطبقات الخارجية.

اختلافات تركيب النجوم بحسب النوع والكتلة

تركيب النجوم يختلف بشكل ملحوظ باختلاف كتلتها ومرحلة تطورها، ويمكن تقسيم النجوم إلى أنواع رئيسية بناءً على ذلك:

• نجوم تسلسل رئيسي صغيرة (مثل الشمس): تتكون بشكل رئيسي من الهيدروجين والهيليوم مع نسبة ضئيلة من العناصر الأثقل. عمليات الاندماج في هذه النجوم تدور أساساً حول تحويل الهيدروجين إلى هيليوم.

• نجوم عملاقة وحمراء: تتكون من طبقات متعددة تحتوي على عناصر ثقيلة في اللب بعد انتهاء الهيدروجين، مع وجود نسبة أكبر من الكربون والأكسجين.

• نجوم فائقة الكتلة: تتضمن مركبات ثقيلة متعددة، وتشمل مراحلاً متقدمة من الاندماج التي تؤدي إلى تكوين عناصر ثقيلة مثل الحديد والنحاس والنيكل، قبل الانفجار النهائي.

الجدول التالي يوضح تركيب النجوم بحسب النوع والنسبة التقريبية لكل عنصر:

الخلاصة

تشكل النجوم عصب الكون وحجر الأساس في تكوين المادة والطاقة التي تحيط بنا. تتكون بشكل رئيسي من الهيدروجين والهيليوم، مع نسبة صغيرة من العناصر الأثقل التي تتغير مع تطور النجم. في لب النجم تحدث تفاعلات الاندماج النووي التي تحول الهيدروجين إلى عناصر أثقل وتنتج الطاقة التي تُشعّها النجوم. يختلف تركيب النجوم بحسب نوعها وكتلتها، ما يؤثر على دورة حياتها ومصيرها النهائي. فهم تركيب النجوم يساعد في تفسير العديد من الظواهر الفلكية ويُعد من المجالات الحيوية في علوم الفضاء.

المراجع:

1. Carroll, B.W. & Ostlie, D.A. (2017). An Introduction to Modern Astrophysics. Cambridge University Press.

2. Kippenhahn, R., Weigert, A., & Weiss, A. (2012). Stellar Structure and Evolution. Springer.