رصد النجوم المتغيِّرة

مع أن ذلك قد لا يكون واضحاً للوهلة الأولى، فإن عديداً من النجوم يتغيَّر سطوعه بمرور الوقت. بعض هذه النجوم المتغيِّرة Variable stars تُغيِّر سطوعها ضمن مجالات زمنية يمكن التنبؤ بها، وبعضها الآخر هو أقل انتظاماً. يُعَد تسجيل التغيّرات نمطاً مباشراً ومجزياً من الرصد، ويساعد في النهاية على فك شفرة آلية عمل نجوم معينة. في هذا المقال سنلقي نظرة على أنواع مختلفة من النجوم المتغيّرة، وكيف يمكن رصدها، وكيفية تفسير النتائج. كما سنقدم لك أيضاً بعض الأمثلة عنها لتبدأ بها.

يُحدَّد لمعانُ Brightness النجم بتعيين سطوعه Magnitude. يظل لمعان بعض النجوم بسطوع ثابت، وبعضها يختلف قليلاً، وآخر يختلف كثيراً. في الواقع يتطور سطوع بعض النجوم بدرجة كافية لتغيير المظهر المرئي لكوكبة مضيفة، كما في مثال نجم منكب الجوزاء Betelgeuse، والنجم أوميكرون قيطس (Omicron (ο) Ceti) (انظر فقرة ”ستة نجوم متغيّرة لتبدأ بها“ على الصفحة 62). يمكن أن يحدث التغيُّر على أساس يمكن التنبؤ به، أو يمكن أن يكون غير منتظم إلى درجة بعيدة. ويبدو أن معظم النجوم المتغيّرة يتغير باستمرار، لكن بعضها يتغير مرة واحدة فقط، وأبلغ الأمثلة هي انفجارات السوبرنوفا.

ينتج التغيُّر في السطوع إما عن عوامل خارجية، أو بفعل تغيُّرات داخلية ضمن النجم. تُعرف تلك النجوم الموجودة في المجموعة الأولى باسم المتغيِّرات الخارجية Extrinsic variables، في حين تُعرف تلك الموجودة في المجموعة الثانية بالمتغيِّرات الداخلية Intrinsic variables. وكمثال على المتغيّرات الخارجية، هناك النظام النجمي الكسوفي Eclipsing binary المزدوج رأس الغول Algol، الذي يرجع تغيّر سطوعه المرصود إلى عبور نجم خافت أمام نجم أكثر سطوعاً ضمن فترة زمنية متوقعة جداً.

ينبض كثير من المتغيّرات الداخلية نتيجة تغيّرات في إعتام طبقات النجم الخارجية. عندما يكون النجم بحجم أدنى، تكون طبقاته الخارجية معتمة ومقاومة لمرور الإشعاع من النواة الاندماجية للنجم. ومن ثم فإن الطبقات الخارجية تتضخم، وفي أثناء تضخمها تنخفض شفافيتها وتنطلق الطاقة بسهولة أكبر. وتتقلص الطبقات الخارجية لاحقاً نحو النواة وتتكرر الدورة. تؤثر التغيّرات في حرارة الطبقات الخارجية وحجمها في سطوع النجم.

البدء بالرصد
من الرائع أن تبدأ برصد النجوم ذات التغيّر المتوقع، لأنها تمنحك شيئاً لمقارنة نتائجك به. لا تبحث في المكان الذي يجب أن يكون فيه النجم في دورته قبل أن تبدأ، بل: راقبها وحدد أقوى وأضعف درجات تغيّره بنفسك أولاً. سيعطيك هذا ثقة كبيرة عندما تكتشف أنك على توافق مع أرصاد أخرى.

---

أنواع النجوم المتغيّرة
إليك ما يُسبب حدوث تغييرات في سطوع النجوم المتغيّرة الأكثر شيوعاً

المتغيّرات الداخلية: تغيّرات ناتجة بفعل عوامل داخلية
المتغيّرات السريعة Eruptive variables
يختلف الناتج بسبب العمليات العنيفة والتوهجات على سطح النجم وطبقات غلافه الجوي. أمثلة:
غاما ذات الكرسي Gamma Cassiopeiae
إف يو الجبّار FU Orionis
آر إس السلوقيان RS Canum Venaticorum
إس أبو سيف S Doradus
آر الإكليل الشمالي R Coronae Borealis
يو في قيطس UV Ceti.
يشمل هذا النوع المتغيّرات غير المنتظمة والمتغيّرات غير المنتظمة السريعة. يقذف بعض الانفجارات مادة إلى الفضاء المحيط لتتفاعل مع الوسط بين النجوم. تندرج نجوم وولف رايت المتغيّرة السريعة Eruptive Wolf–Rayet stars أيضاً ضمن هذه الفئة: وهي نجوم سريعة التغير، تقذف الغاز باستمرار إلى الفضاء.

---

المتغيّرات النبّاضة  Pulsating variables
هي النجوم التي تنمو طبقاتها الخارجية وتتقلص، بنحو دوري غالباً. ترتبط العمليات بتوليد الطاقة الداخلية للنجم، حيث تنتفخ (الطبقات) عند تسخينها، وتتقلص عند ابترادها، ثم تتكرر الدورة. قد يكون النبض متماثلاً (شعاعياً) أو غير متماثل (لا شعاعي).
الأمثلة تشمل: دلتا الملتهب Delta Cephei، النموذج الأولي لجميع النجوم المتغيّرة من النوع القيفاوي Cepheid.
آر آر القيثارة RR Lyrae
زد زد قيطس ZZ Ceti
ميرا Mira، النموذج الأولي للنجوم المتغيّرة من نوع ميرا.
منكب الجوزاء Betelgeuse، متغيّر نبّاض Pulsating شبه منتظم.

---

المتغيِّرات الكارثية Cataclysmic variables
تُنتج الانفجارات النووية الحرارية في طبقات سطح النجم حادثة انفجار نوفا Nova، أو سوبرنوفا Supernova عندما تكون عميقة داخل النجم. وعادة ما تكون النوفا نجوماً مزدوجة متقاربة: قزم أبيض مع قرين قزم، أو شبه عملاق، أو عملاق.
أمثلة على النوفا القزمة:
– يو التوأمان U Geminorum،
– إس إس الدجاجة SS Cygni.
تُظهر السوبرنوفا سطوع انفجار بمقدار 20 قدراً أو أكثر، متبوعاً بخفوت بطيء. تنتُج عن هذا تغيّرات فيزيائية دائمة في النجم.
النوع I يشبه النوفا، باستثناء دمار ونهاية القزم الأبيض.
النوع II ينتج من انفجار داخلي لنجم ضخم (أكبر من 8 كتل شمسية).

---

المتغيّرات الخارجية: ينتج التغيّر فيها من عوامل خارجية
المتغيّرات الدوارة Rotating variables
تُظهر النجوم ذات المناطق الفاتحة والمعتمة تغيراً مع تدويم النجم. تنتج المناطق عادةً من المجالات المغناطيسية الشديدة التي تسبب بقعاً حارة أو بقعاً نجمية على سطح النجم. الأمثلة تشمل:
– كور كارولي Cor Caroli.
– بي واي التنين BY Draconis.
– إس إكس الحمل SX Arietis
– سي إم الثور CM Tauri، النجم النبّاض في سديم السرطان، وهو نجم متغيّر دوار.
– السماك الأعزل Spica، وهو نظام نجمي مزدوج غير كسوفي، مكون من نجمين بيضاويين، يغيران سطوعهما بحسب ظهورهما لنا.
– إي يو الحمل AU Arietis، وهو نظام نجمي مزدوج، متقارب المسافة، ينعكس فيه إشعاع النجم الحار عن قرينه الأبرد منه.

---

المنظومات النجمية المزدوجة الكسوفية متقاربة المسافة Close binary eclipsing systems
يبدو أن هذه المنظومات النجمية تغيّر سطوعها لأن النجوم المكونة لها يحجب بعضُها بعضاً كما تُرى من الأرض.  من الأمثلة العديدة:
– رأس الغول Algol.
– بيتا القيثارة Beta Lyrae.
– لامدا الثور Lambda Tauri.
– آر إس السلوقيان RS Canum Venaticorum.
بعضها، مثل النجم V0376 Pegasi، يتباين سطوعه بسبب الكواكب النجمية التي تدور حوله. تنتج النجوم غير المتعادلة كسوفاً أساسياً كبيراً وكسوفاً ثانوياً بسيطاً.
تحتوي المتغيّرات من نوع إي دبليو الدب الأكبر EW Ursae Majoris على نجوم بيضاوية متشابهة تُنتج حوادث كسوف أساسية وثانوية.

---

الطريقة الكسرية
استخدمْ هذه الطريقة لتقدير سطوع نجم متغيّر إذا كنتَ قد بدأت نشاطك.

اختر نجماً متغيراً، وابحث عن مخطط مرجعي له عبر الجمعية الفلكية البريطانية BAA (britastro.org)، أو AAVSO (الجمعية الأمريكية لراصدي النجوم المتغيّرة، aavso.org). لدى هاتين المؤسستين مخططات للنجوم المتغيّرة التي تحدد نجوم المقارنة غير المتغيّرة لاستخدامها عند تقدير سطوع النجم المتغيّر. اخترْ نجمين، أحدهما أكثر سطوعاً (A) والآخر أكثر خفوتاً (B) من النجم المتغيّر (V). إذا كان الاختلاف في السطوع بين A و V يساوي ذلك بين V و B، فسيكون النجم المتغيّر V في منزلة متوسطة بين A وB، ويمكنك كتابة ذلك على النحو التالي ’A(1) V(1)B‘؛ حيث يذكر دائماً نجم المقارنة الأسطع أولاً. إذا كان الفرق بين A وV أكبر بثلاث مرات من الفرق بين V وB، فيمكن كتابة ذلك كـ’A(3)V(1)B‘، وهكذا. أنت تقسم ذهنياً الفرق في السطوع بين A وB إلى عدد من الأجزاء، في هذا المثال 4، وتضع النجم المتغيّر على هذا المقياس.

إذا كان سطوع النجم A هو mag. 3.7+، وكان الفرق الحقيقي بين A و B هو mag. 0.4، فإن كل قسم ’A(3)V(1)B‘ يمثل 0.4 ÷ 4، أو mag. 0.1. في هذا المثال، يكون النجم المتغيّر V أسطع بمقدار mag. 0.1 من النجم B وأخفت بمقدار mag. 0.3 من النجم A، مما يجعله بسطوع 3.7+ mag. 0.3-، أو mag. 3.4+ يجب أن يكون فرق السطوع بين A وB أقل من 0.6.

---

تنقل النجوم المتغيّرة من دون انتظام والأقل قابلية للتنبؤ الموضوع إلى مستوى جديد، حيث يمكنك هنا تنفيذ أرصاد متقدمة خاصة بك. هل فعل النجم شيئاً غريباً؟ هل هو أسطع أم أخفت مما يجب أن يكون عليه؟ بناءً على مجموعة المهارات المتولدة من مراقبة المتغيّرات المنتظمة، فقد تكون أنت أول شخص يسجل شيئاً مثيراً.

وحالما تمتلك مجموعة أدواتك لمراقبة النجوم المتغيّرة، ستكون مستعداً للأشياء التي لا يمكن التنبؤ بها فعلاً مثل المتغيّرات السريعة Eruptive variables، والمتغيّرات الكارثية Cataclysmic variables والنجوم المتوهجة Flare stars، والنوفا الكلاسيكية Classical novae، وأخيراً السوبرنوفا Supernovae. حدث آخر انفجار سوبرنوفا ”محلي“ في سحابة ماجلان الكبرى Large Magellanic Cloud، والتي هي مجرّة قزمة تابعة لمجرّة درب التبانة، في العام 1987. ومن يدري متى سيحدث السوبرنوفا التالي، ولكنك ستكون مستعداً له على الأقل. هناك كثير من أصناف النجوم المتغيّرة كما هو موضح على الصفحة المقابلة.

الهدف النهائي لرصد النجوم المتغيّرة هو رسم منحنى ضوء النجم. لا يوجد شيء صعب ومعقد في هذا، فهو في الأساس رسم بياني يُظهر الوقت على طول المحور الأفقي و السطوع على طول المحور العمودي، ولكن يمكنه أن يُظهر قدراً كبيراً عن النجم المتغيّر. فعلى سبيل المثال، يمكنك إنشاء منحنى ضوئي مفصل لنظام نجمي مزدوج كسوفي، وسيحدد شكل المنحنى ما إذا كنت ترى كسوفاً جزئياً أو كاملاً للنجم الأساسي. يُظهر الكسوف الجزئي منحنى متغيراً باستمرار، في حين يُظهر الكامل منحنى ”ينخفض للقعر“ عند أدنى سطوع.

أطول فترة كسوف لنظام مزدوج هي لنجم الماعز Almaaz، بمدة تبلغ 27 عاماً. تؤدي حادثة كسوف إلى خفوت النظام من سطوع mag. 2.9+ إلى سطوع mag. 3.8+، ليبلغ حده الأدنى مدة سنتين تقريباً، مما يشير إلى حدوث كسوف كلي للنجم الرئيس. ومع ذلك يزيد السطوع قليلاً في منتصف وقت الكسوف، قبل أن يتراجع إلى الحد الأدنى مرة أخرى. أحد الاقتراحات لهذا السلوك الغريب هو أن النجم الثانوي هو نجم من النوع B يوجد في قرص كثيف حاجب من مادة موازية تقريباً لنا. تحدث الذروة الدنيا عندما يسمح الثقب المركزي للقرص بمرور بعض الضوء من النجم الرئيس.

التعلم من المتغيّرات غير المنتظمة
منحنيات الضوء للنجوم المتغيّرة غير المنتظمة مفيدة جداً أيضاً. يُظهر نجمٌ متغيّر طويل الأمد، مثل منكب الجوزاء Betelgeuse، عدة تغيّرات دورية في سطوعه على مدى فترات زمنية مختلفة، وفقط من خلال تسجيل هذه التغيّرات على مدى فترة طويلة يمكن تحديد تلك الدورات. في العام 2019 وحتى العام 2020، تصدّر منكب الجوزاء عناوين الأخبار عندما خفت سطوعه بنحو غير متوقع. يُعرف هذا النجم بكونه نجماً قديماً يقترب من نهاية حياته، مما أطلق كثيراً من التوقعات بأن النجم كان يوشك على التحول إلى سوبرنوفا. غير أن ذلك لم يحدث، ووجد العلماء لاحقاً أن تغير سطوعه يرجع إلى غبار بارد يحجب ضوء النجم. ومع ذلك فقد حصلت زيادة كبيرة في الأرصاد المنتظمة لسطوعه في أثناء فترة خفوته.

ومن ناحية أخرى، تحتوي المتغيّرات القيفاويّة Cepheid على منحنيات ضوئية تُظهر فترات تغيّر منتظمة جداً. أظهر اكتشاف رائد أنجزته هنرييتا سوان ليفيت Henrietta Swan Leavitt في العام 1908 أن فترة التغيّر مرتبطة مباشرة بسطوع النجم. بصورة أساسية، يمكنك من خلال تحديد فترة دورة تغيّر النجم القيفاوي، أن تحدد مدى السطوع الذي يجب أن يظهر به. ومن الممكن بعد ذلك استنتاج مدى بُعد النجم لكي يبدو ساطعاً كما ظهر لنا هنا على الأرض. ولهذا السبب صارت نجوم القيفاويّات تُعرف باسم ”الشموع القياسية“ Standard Candles، وجرى تحديدها على أنها نوع مهم جداً من النجوم المتغيّرة.

وعلى الرغم من سهولة رؤية منكب الجوزاء، وأنه يمثل بداية جيدة، فإنه يسلط الضوء أيضاً على مشكلة مع النجوم الحمراء. وقبل أن نصل إلى سبب ذلك، دعنا نُلقِ نظرة على بعض الإرشادات التي يجب اتباعها لمساعدتك على أن تصير راصداً جيداً، ودقيقاً، وغزير الإنتاج، للنجوم المتغيّرة.

قبل إجراء أي عملية رصد، دع عينيك تختبرا ما لا يقل عن 20 دقيقة من الظلام الدامس، ومن ثم تتجنب أي نوع من أنواع الضوء الاصطناعي حتى انتهاء الرصد. الاستثناء الوحيد من ذلك هو الضوء الأحمر الخافت لإضاءة دفتر السجل الخاص بك لتسجل ملاحظاتك. تجنب استخدام جهاز حاسوب أو هاتف لتسجيل نتائج الأرصاد، إذ يمكن حتى لضوء شاشة حمراء أن يؤذي تكيُّف عينك مع العتمة.

لقد ذكرنا بالفعل أنه يجب عليك ألا تبحث في تفاصيل حالة النجم المتغيّر قبل إجراء الرصد. إذ يؤدي ذلك إلى تحيّز، وهو ما يُعد علماً سيئاً. نفِّذ الرصد بعقل صافٍ، وسجِّل كل ما تراه بغض النظر عن مدى غرابته.

تنطبق مشكلة نجم منكب الجوزاء على أي نجم أحمر اللون، وهي سمة شائعة للمتغيّرات الداخلية. المشكلة هي أن العيون المختلفة لديها درجات حساسية مختلفة تجاه الضوء الأحمر. قارن تقديرات السطوع لنجم متغيّر أحمر اللون بنتائج أخرى وقد تجد اختلافات. ومع ذلك يجب أن يظل شكل منحنى الضوء كما هو، جنباً إلى جنب مع تغير السطوع الكلي. تظهر النجوم الحمراء أيضاً كأنها تسطع عند رؤيتها مباشرة. هذا أمر مربك، والنصيحة هي عدم التحديق بها فترات طويلة، بدلاً من ذلك طوِّر أسلوب أخذ نظرة سريعة.

العوامل الأخرى التي تؤثر في أرصاد النجوم المتغيّرة هي جودة السماء، والارتفاع فوق الأفق، ومكان النجم ونجوم المقارنة في مجال رؤيتك. اهدفْ إلى نقل المتغيّرات ونجوم المقارنة النجوم بالقرب من مركز مجال الرؤية عند رصدها.

تذكَّرْ طريقة الرؤية المتجنبة
عندما يكون النجم المتغيّر على عتبة حدود قدرة الرؤية، فمن الطبيعي استخدام طريقة الرؤية المتجنبة Averted vision لمحاولة الحصول على أكبر قدر ممكن من حساسية عينيك. يتطلب منك هذا النظر إلى جانب الهدف الخافت حتى يسقط ضوؤه على جزء أكثر حساسية في شبكية عينك. عندما تتعوَّد النظر إلى أجرام أكثر خفوتاً عبر عينية التلسكوب، تصير الرؤية المتجنبة عادة مكتسبة وقد لا تدرك حتى أنك تستخدمها. ومع ذلك، فمن أجل رصد النجوم المتغيّرة، من الضروري ملاحظة متى استخدمت الرؤية المتجنبة. قد تعطي طريقة الرؤية المتجنبة النجمَ سطوعاً أكبر مما يستحق، مما قد يؤدي إلى تشويه النتيجة.

حالما تعتاد بانتظام رصدَ النجوم المتغيّرة، ستجد أن العملية سريعة وفعالة. ابدأ بمجموعة من الأهداف السهلة، ووسع القائمة مع تزايد خبرتك. أرسل نتائجك إلى جمعية معترف بها مثل الجمعية الفلكية البريطانية (BAA) حيث يمكن استخدامها استخداماً مفيداً.