تحول کهکشان‌های پرجرم در کیهان

تحول کهکشان‌های پرجرم در کیهان

منجمان کهکشان‌های عالم را از لحاظ آهنگ ستاره‌زایی و رنگ به دو دسته‌ تقسیم می‌کنند: (۱) رشته‌ی سرخ، کهکشان‌هایی هستند که ستاره‌زایی بسیار ناچیزی دارند و جمعیت ستاره‌ای آنها پیر است، و (۲) ابر آبی، کهکشان‌های ستاره‌زا هستند که به طور فعال ستاره‌زایی می‌کنند و جمعیت ستاره‌ای جوانی دارند. داده‌های متعدد نشان داده است که این دو دسته در طول زمان کیهانی (انتقال‌به‌سرخ) تغییر و تحول پیدا می‌کنند. علاوه بر این دو دسته‌ی اصلی، تصور می‌شود دسته‌ی سومی از کهکشان‌های «گذرا» نیز وجود دارد که در حال گذار بین دو دسته‌ی ابر آبی و رشته‌ی سرخ هستند. در این مقاله، نویسندگان تلاش می‌کنند کهکشان‌های متعلق به این دسته‌ی سوم را از لحاظ رصدی و تئوری بررسی کنند.

در قسمت رصدی این مقاله، مولفان کهکشان‌های گذرا را از کهکشان‌های ستاره‌زا (متعلق به ابر آبی) و کهکشان‌های آرام (متعلق به رشته‌ی سرخ) بر اساس آهنگ ستاره‌زایی ویژه (نسبت آهنگ ستاره‌زایی به جرم کهکشان) جدا کرده‌اند. در هر جرم و انتقال‌به‌سرخ مشخص، کهکشان‌های ستاره‌زا بیشترین آهنگ ستاره‌زایی ویژه‌ و کهکشان‌های آرام کم‌ترین را دارند. کهکشان‌های گذرا آن دسته از کهکشان‌هایی هستند که آهنگ ستاره‌زایی ویژه‌ای میان آهنگ ستاره‌زایی ویژه‌ی کهکشان‌های ستاره‌زا و آرام دارند. در واقع در هر انتقال‌به‌سرخی، کهکشان‌های ستاره‌زا منطقه‌ی مشخصی را در نمودار آهنگ ستاره‌زایی ویژه بر حسب جرم ستاره‌ای کهکشان‌ها اشغال می‌کنند که به آن «رشته‌ی اصلی» گفته می‌شود. هرچه کهکشان پایین‌تر از رشته‌ی اصلی قرار داشته باشد (یعنی آهنگ ستاره‌زایی کمتری داشته باشد) کهکشان آرام‌تری است. شکل یک فراوانی سه دسته کهکشان‌ را بر حسب انتقال‌به‌سرخ (زمان کیهانی) نشان می‌دهد. با گذشت زمان (از انتقال‌به‌سرخ ۳ تا کنون) تعداد کهکشان‌های ستاره‌زا کم‌تر و تعداد کهکشان‌های آرام بیشتر شده است. بر اساس این مطالعه، ۴۰درصد کهکشان‌های کنونی آرام و غیرفعال هستند، در حالی که حدود ۱۱ میلیارد سال پیش (انتقال‌به‌سرخ ۳) کمتر از ۱۰درصد کهکشان‌ها آرام بوده‌اند. فراوانی کهکشان‌های گذرا از ۱۱ میلیارد سال پیش تا کنون تقریبا ثابت و بدون تغییر بوده است. در شکل یک، نقطه‌چین پیش‌بینی مدل‌ها را نشان می‌دهد. علت هماهنگ نبودن نتیجه‌ی مدل با رصد مشخص نیست و احتمال می‌رود که زمان غیرفعال شدن کهکشان‌ها در مدل‌ها طولانی‌تر از واقعیت باشد.

شکل ۱: فراوانی کهکشان‌های آرام (قرمز)، گذرا (سبز)، و ستاره‌زا (آبی)، از ۱۱ میلیارد سال پیش (انتقال‌به‌سرخ ۳) تا کنون.

شکل ۱: فراوانی کهکشان‌های آرام (قرمز)، گذرا (سبز)، و ستاره‌زا (آبی)، از ۱۱ میلیارد سال پیش (انتقال‌به‌سرخ ۳) تا کنون.

مولفان مقاله ویژگی‌های ریخت‌شناختی کهکشان‌ها در این سه دسته را نیز با هم مقایسه کرده‌اند و مشاهده کرده‌اند که اندازه، فشردگی (شاخص سِرسیک)، و چگالی سطحی جرم کهکشان‌های گذرا بین کهکشان‌های ستاره‌زا و آرام است. کهکشان‌های آرام، فشرده‌تر و کوچکتر از کهکشان‌های گذرا هستند که خود از کهکشان‌های ستاره‌زا فشرده‌‌تر و کوچکترند. این مشاهده می‌تواند نشان‌گر دو تصویر از کهکشان‌های گذرا باشد: در تصویر اول، کهکشا‌ن‌های ستاره‌زا بر اثر فرآیندی اتلافی مانند برخورد کهکشانی دچار فشردگی می‌شوند. در نتیجه چگالی ستاره‌ای مرکزی کهکشان زیاد می‌شود و پروفایل جرمی کهکشان فشرده می‌شود. در این تصویر تغییر شکل کهکشان پیش از خاموشی کهکشان رخ می‌دهد. بنابر تصویر دوم، اندازه‌ی کوچک کهکشان‌های آرام صرفا به علت خاموشی آن‌ها در زمانی زودتر از کهکشان‌های ستاره‌زا است. اندازه‌ی کهکشان‌های ستاره‌زا همواره در حال بزرگ شدن است، در نتیجه هرچه زودتر کهکشان خاموش شود رشد اندازه‌ی آن نیز زودتر متوقف خواهد شد. در نتیجه، کهکشان ستاره‌زا امروزی اندازه‌ی بزرگتری از کهکشان آرام امروزی خواهد داشت.

شکل ۲: مقیاس زمانی گذر (مدت زمانی که طول می‌کشد کهکشانی ستاره‌زا به آرام تبدیل شود) بر حسب انتقال‌به‌سرخ. کهکشان‌های دور در مسیر تند هستند، و کهکشان‌های نزدیک در مسیر کند قرار دارند.

شکل ۲: مقیاس زمانی گذر (مدت زمانی که طول می‌کشد کهکشانی ستاره‌زا به آرام تبدیل شود) بر حسب انتقال‌به‌سرخ. کهکشان‌های دور در مسیر تند هستند، و کهکشان‌های نزدیک در مسیر کند قرار دارند.

بر اساس تعداد کهکشان‌های آرام و کهکشان‌های گذرا در هر انتقال‌به‌سرخ، می‌توان مقیاس زمانی خاموشی کهکشان‌ها را تخمین زد. منظور از مقیاس زمانی خاموشی، مدت زمانی است که طول می‌کشد تا ستاره‌زایی در یک کهکشان ستاره‌زا متوقف یا کم شود و به یک کهکشان آرام تبدیل شود. نمودار سبز در شکل دو مقیاس زمانی خاموشی را بر حسب انتقال‌به‌سرخ نشان می‌دهد. بر اساس این نمودار، در گذشته (انتقال‌به‌سرخ بالا) کهکشان‌ها سریع‌تر خاموش می‌شده‌اند (مقیاس زمانی حدود ۲ میلیارد سال) که اصطلاحا گفته می‌شود کهکشان‌های دور در مسیر سریع هستند. مقیاس زمانی خاموشی کهکشان‌ها با گذشت زمان به سرعت افزایش می‌یابد، و اصطلاحا گفته می‌شود کهکشان‌های نزدیک در مسیر کند هستند.

کهکشان‌ها به طرق مختلفی می‌توانند خاموش شوند؛ ممکن است گاز میان‌ستاره‌ای از درون کهکشان تخلیه شود، ممکن است تغذیه‌ی گاز به کهکشان از بیرون قطع شود، و یا ممکن است به علتی گاز درون کهکشان نتواند به ستاره تبدیل شود. یک فرآیند فیزیکی (مثلا بازخورد از هسته‌ی کهکشانی فعال) می‌تواند هر سه تای این فرآیندها را به وجود بیاورد و موجب خاموشی کهکشان شود. سوال مهمی که مطرح می‌شود این است که کهکشان‌ها چگونه بین دسته‌های ستاره‌زا، گذرا، و آرام حرکت می‌کنند؟ برای پاسخ به این سوال باید به مسیرهای تکاملی کهکشان‌ها نگاه کرد. مولفان ۱۳۰۰ کهکشان را با تاریخچه‌های ستاره‌زایی گوناگون شبیه‌سازی کرده‌اند. چهار نوع روند تکاملی در این شبیه‌سازی‌ها در نظر گرفته شده است: ۱) «نوسان»: ستاره‌زایی کهکشان‌ها زیاد و کم می‌شود و کهکشان‌ها بین رده‌ی ستاره‌زا و آرام در حال نوسان هستند. ۲) «خاموشی آرام»: کهکشان‌ها مدت زیادی در مرحله‌ی گذار هستند تا از منطقه‌ی ستاره‌زا به آرام بروند. این روند معمولا توسط برخورد کهکشانی و آهنگ برافزایشی ابرسیاهچاله‌ی مرکزی رخ می‌دهد. ۳) «خاموشی سریع»: ستاره‌زایی در کهکشان‌ ستاره‌زا ناگهان قطع می‌شود. این گونه تکامل بر اثر برخورد و هسته‌ی کهکشانی فعال رخ می‌دهد. ۴) «باز جوان شدن»: گاهی اوقات کهکشان آرام دوباره ستاره‌زایی را از سر می‌گیرد و کهکشانی ستاره‌زا می‌شود.

بررسی آماری کهکشان‌های شبیه‌سازی شده نشان می‌دهد که بیشتر این کهکشان‌ها روند خاموشی آرام داشته‌اند و چندین میلیارد سال در منطقه‌ی گذار سر کرده‌اند تا وارد دسته‌ی کهکشان‌های آرام شوند. اما حتی سریع‌ترین روند خاموشی هم در این شبیه‌سازی‌ها نمی‌تواند کهکشان‌های آرام را در انتقال‌به‌سرخ ۳ به وجود بیاورد، که نشان می‌دهد روند خاموشی سریع باید پیش‌تر در کیهان شروع شده باشد.

در این مقاله، سوالات بسیار مهمی درباره‌ی نحوه‌ی تکامل کهکشان‌های کم‌ستاره‌زا و گذرا مطرح شده است. مطالعات بیشتر در آینده لازم است تا درصد خاموشی کهکشان‌ها را بررسی کند و نشان بدهد فرآیندهای خاموشی و باز جوان شدن در چه مقیاس‌های زمانی رخ می‌دهند و چقدر رایج هستند.

عنوان اصلی مقاله: The Nature of Massive Transition Galaxies in CANDELS, GAMA, and Cosmological Simulations
نویسندگان: .Pandya, Viraj; Brennan, Ryan; Somerville, Rachel S.; et al
این مقاله برای چاپ به نشریه‌ی MNRAS فرستاده شده است.
لینک مقاله‌ی اصلی: https://arxiv.org/abs/1611.03869
گردآوری: آیرین شیوایی

دسته‌ها: مقالات روز

درباره نویسنده

آیرین شیوایی

پژوهشگر پَسادکترا در زمینه‌ی نجوم رصدی کهکشان‌ها و عضو تیم علمی ابزار فروسرخ تلسکوپ فضایی جیمز وب در دانشگاه آریزونا است. او در سال ۲۰۱۷ دکترای فیزیک خود را از دانشگاه کالیفرنیا در ریورساید، در زمینه‌ی تحول کهکشان‌های جوان عالم از طریق بررسی غبار میان‌ستاره‌ای و ستاره‌زایی آن‌ها، دریافت کرد. او برای مطالعه و بررسی این کهکشان‌ها، که حدود ۱۰ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارند، از داده‌های تلسکوپ‌های زمینی کک و تلسکوپ‌های فضایی هابل و اِسپیتزر استفاده می‌کند.

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*