الكتلة الشمسية

الكتلة الشمسية ( M☉ ₎ هي وحدة كتلة شائعة الاستخدام في علم الفلك ، وتساوي تقريبًا2 × 10³⁰ كجم  . وهي تساوي تقريبًا كتلة الشمس . تُستخدم هذه الكتلة غالبًا للإشارة إلى كتل النجوم الأخرى ^، بالإضافة إلى التجمعات النجمية والسدم والمجرات والثقوب السوداء . وبشكل أدق، فإن كتلة الشمس هي كما يلي:

تبلغ كتلة الشمس حواليكتلة تعادل 333000 ضعف كتلة الأرض ( M _🜨 )، أو_{كتلة تعادل} 1047 ضعف كتلة كوكب المشتري ( MJ ).

تم استخلاص قيمة ثابت الجاذبية لأول مرة من قياسات أجراها هنري كافنديش عام 1798 باستخدام ميزان الالتواء . ^{[ 2 ]} تختلف القيمة التي حصل عليها بنسبة 1% فقط عن القيمة الحديثة، ولكنها لم تكن بنفس الدقة. ^{[ 3 ]} تم قياس اختلاف المنظر اليومي للشمس بدقة خلال عبور كوكب الزهرة عامي 1761 و1769، ^{[ 4 ]} مما أسفر عن قيمة قدرها9″ (9 ثوانٍ قوسية ، مقارنة بالقيمة الحالية لـ 8.794 148 ″ ). من قيمة اختلاف المنظر اليومي، يمكن تحديد المسافة إلى الشمس من هندسة الأرض. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

أول تقدير معروف لكتلة الشمس كان من قبل إسحاق نيوتن . ^{[ 7 ] [ 8 ]} في كتابه "برينسيبيا" (1687)، قدر أن نسبة كتلة الأرض إلى كتلة الشمس كانت حوالي 1:28700. لاحقًا ، اكتشف أن قيمته كانت مبنية على قيمة خاطئة لاختلاف المنظر الشمسي، والتي استخدمها لتقدير المسافة إلى الشمس. فقام بتصحيح النسبة المقدرة إلى 1:169 282 في الطبعة الثالثة من كتاب "برينسيبيا" . القيمة الحالية لاختلاف المنظر الشمسي أصغر من ذلك، مما ينتج عنه نسبة كتلة تقديرية تبلغ 1:332946. ^{[ 9 ]}​​

استُخدمت الكتلة الشمسية كوحدة قياس قبل قياس الوحدة الفلكية وثابت الجاذبية بدقة. ويعود ذلك إلى إمكانية حساب الكتلة النسبية لكوكب آخر في النظام الشمسي، أو الكتلة الكلية لنجمين ثنائيين، بوحدات الكتلة الشمسية مباشرةً من نصف قطر مدار الكوكب أو النجمين وفترة دورانهما، وذلك باستخدام قانون كبلر الثالث.

لا يمكن قياس كتلة الشمس مباشرةً، وإنما تُحسب من عوامل أخرى قابلة للقياس، باستخدام معادلة الفترة المدارية لجسم صغير يدور حول كتلة مركزية. ^{[ 10 ]} وبناءً على طول السنة، والمسافة بين الأرض والشمس ( وحدة فلكية أو au)، وثابت الجاذبية ( G )، تُعطى كتلة الشمس بحل قانون كبلر الثالث : ^{[ 11 ] [ 12 ]}$${\displaystyle M_{\odot }={\frac {4\pi ^{2}\times (1~{\text{au}})^{3}}{G\times (1~{\text{yr}})^{2}}}.}$$

يصعب قياس قيمة G ، ولا تُعرف إلا بدقة محدودة ( انظر تجربة كافنديش ). أما قيمة G مضروبة في كتلة الجسم، والتي تُسمى معامل الجاذبية القياسي ، فهي معروفة للشمس والعديد من الكواكب بدقة أعلى بكثير من G وحدها. ^{[ 13 ]} ونتيجة لذلك، تُستخدم كتلة الشمس كوحدة قياس قياسية في النظام الفلكي للوحدات .

تفقد الشمس كتلتها بسبب تفاعلات الاندماج النووي التي تحدث داخل نواتها، مما يؤدي إلى انبعاث الطاقة الكهرومغناطيسية والنيوترينوات، وبسبب قذف المادة مع الرياح الشمسية . وهي تقذف حوالي(2–3) × 10 ⁻¹⁴ كتلة _شمسية /سنة. ^{[ 14 ]} سيزداد معدل فقدان الكتلة عندما تدخل الشمس مرحلة العملاق الأحمر ، ليصل إلى (7–9) × 10 ⁻¹⁴ كتلة _شمسية /سنة عندما يصل إلى قمة فرع العملاق الأحمر . سيرتفع هذا إلى 10 ^{يبلغ معدل تغير كتلة الشمس -6} كتلة _شمسية /سنة على فرع العملاق المقارب ، قبل أن يصل إلى ذروته عند معدل يتراوح بين 10⁻⁵ ^و10⁻⁴ كتلة شمسية _/ سنة مع تكوّن سديم كوكبي . وبحلول الوقت الذي تصبح فيه الشمس قزمًا أبيض متدهورًا ، ستكون قد فقدت 46% من كتلتها الأصلية. ^{[ 15 ]} 

تتناقص كتلة الشمس منذ نشأتها، وذلك من خلال عمليتين متساويتين تقريبًا. أولًا، في لبّ الشمس ، يتحول الهيدروجين إلى هيليوم عبر الاندماج النووي ، وتحديدًا سلسلة تفاعلات البروتون-بروتون ، ويحوّل هذا التفاعل جزءًا من الكتلة إلى طاقة على شكل أشعة غاما . وتشعّ معظم هذه الطاقة في نهاية المطاف بعيدًا عن الشمس. ثانيًا، تُقذف البروتونات والإلكترونات عالية الطاقة الموجودة في غلاف الشمس الجوي مباشرةً إلى الفضاء الخارجي على شكل رياح شمسية وانبعاثات كتلية إكليلية . ^{[ 16 ]}

لا تزال الكتلة الأصلية للشمس عند وصولها إلى مرحلة التسلسل الرئيسي غير مؤكدة. ^{[ 17 ]} شهدت الشمس في بداياتها معدلات فقدان كتلة أعلى بكثير مما هي عليه الآن، وربما فقدت ما بين 1 و7% من كتلتها الأصلية خلال فترة وجودها في مرحلة التسلسل الرئيسي. ^{[ 18 ]}

يمكن تحويل كتلة شمسية واحدة، M _{☉ ، إلى وحدات ذات صلة:} ^{[ 19 ]}

• 27068510 م ₍ كتلة القمر )​​
• 332946 مليون كتلة أرضية _🜨​​
• 1047.35 كتلة _{المشتري} ( MJ )​​

كما أنه من المفيد في النسبية العامة التعبير عن الكتلة بوحدات الطول أو الزمن.

• M _☉ G / c ² ≈ 1.48  كم (نصف قطر شوارزشيلد للشمس)
• M _☉ G / c ³ ≈ 4.93  ميكروثانية

يحتوي معامل الكتلة الشمسية ( GM☉ )، كما هو مدرج من قبل المجموعة العاملة للقسم الأول من الاتحاد الفلكي الدولي، على التقديرات التالية _: ^{[ 20 ]}

• 1.327 124 420 99 (10) × 10 ²⁰  م ³ ث ⁻² ( متوافق مع TCG )
• 1.327 124 400 41 (10) × 10 ²⁰  م ³ ث ⁻² ( متوافق مع TDB )

• حدود تشاندراسيكار
• ثابت الجاذبية الغاوسي
• رتب المقدار (الكتلة)
• الكتلة النجمية