فوران گازهای ملکولی به خارج از کهکشان‌های فعال

0 0 0 0

توسط آیرین شیوایی , 22 دسامبر 2014

محیط میان‌ستاره‌ای در کهکشان‌ها دربردارنده‌ی سحابی‌های گازی و غباری رقیقی است که ستاره‌ها از آن‌ها به وجود می‌آیند و پس از مرگ نیز سحابی‌ای از خود به جای می‌گذارند. اما اتفاقاتی که در کهکشان‌ می‌افتد به محیط بسته‌ی داخل کهکشان محدود نیست. کهکشان‌ها با محیط بیرونی خود (محیط میان‌کهکشانی) از طریق فوران گاز به خارج (بیرون‌ریزی^۱) و یا انتقال گاز به داخل کهکشان (درون‌ریزی^۲) ارتباط دارند. بیرون‌ریزی‌ها و درون‌ریزی‌ها در تحول کهکشان‌ها اهمیت بسزایی دارند و شناخت آن‌ها در بهتر فهمیدن تکامل کهکشان‌ها نقشی کلیدی دارد. مطالعات گذشته نشان داده‌اند که کهکشان‌های ستاره‌فشان ^۳ می‌توانند بیرون‌ریزی گازهای ملکولی داشته باشند. گازهای ملکولی بستر تولید ستاره‌ها هستند. بنابراین بیرون‌ریزی این گازها روند تولید ستاره و جرم ستاره‌ای را در کهکشان کند می‌کند.

تصویر ۱: طیف تابش مونوکسید کربن (نمودار زرد). قله‌ی تابش مولفه‌ی اصلی را نشان می‌دهد، در کنار این مولفه دنباله‌ی پهنی نیز قرار دارد که نشان می‌دهد گاز مونوکسید کربن تا سرعت ۱۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه (سرعت خروج گاز از کهکشان) کشیده شده است.
نمودار آبی(بالا) طیف خط جذبی منیزیوم یونیزه است که نسبت به طول موج آزمایشگاهی آن کشیده شده است. انتقال به‌ آبی این خط نشان می‌دهد که گاز یونیزه نیز در حال خروج از کهکشان است.

بیرون‌ریزی‌های گازهای ملکولی رصد شده در گذشته محدود به بخش کمی از کل گاز ملکولی کهکشان می‌شد که تا فاصله‌ی کمی (کمتر از یک کیلوپارسک) از کهکشان خارج شده بودند. تاکنون شواهدی مبنی بر اینکه فعالیت‌های ستاره‌ای (مانند ستاره‌زایی در مرکز کهکشان) بتوانند مقادیر زیادی از گازهای ملکولی سرد را از کهکشان خارج کنند دیده نشده بود. در این مقاله برای نخستین بار بیرون‌ریزی گازهای ملکولی سرد تا فاصله‌ی زیادی از کهکشان ستاره‌فشان و بسیار فشرده‌ای در انتقال‌به‌سرخ ۰.۷ دیده شده است.

کهکشان SDSS J۰۹۰۵+۵۷ کهکشان بسیار فشرده‌ای با شعاع حدود ۱۰۰ پارسک است که با نرخ بسیار زیاد ۲۶۰ جرم خورشیدی در سال ستاره تولید می‌کند. این کهکشان بادهای بسیار شدیدی تولید می‌کند که در شمار سریع‌ترین بادهای کهکشانی هستند که تا به حال دیده‌ایم. سرعت این بادهای کهکشانی را از روی خطوط جذبی میان‌ستاره‌ای مانند منیزیوم یونیزه (MgII) در طیف کهکشان به دست می‌آورند. از آنجایی که این خطوط در حال خروج از کهکشان هستند طیف آن‌ها نسبت به خطوط جذبی ستاره‌ای که در داخل کهکشان ثابتند، انتقال به آبی پیدا می‌کنند. میزان انتقال‌ به‌ آبی خطوط، سرعت بیرون‌ریزی آن‌ها را نشان می‌دهد: هرچه گاز میان‌ستاره‌ای با سرعت بیشتری در حال بیرون‌ریزی از کهکشان باشد خطوط جذبی آن بیشتر به سمت طول‌موج‌های کوتاه‌تر (آبی‌تر) انتقال پیدا می‌کند. طیف کهکشان SDSS J۰۹۰۵+۵۷ (تصویر ۱) نشان می‌دهد که گازهای یونیزه با سرعت زیادی از این کهکشان به محیط میان‌کهکشانی منتقل می‌شود. در تصویر ۱، بخش بالای نمودار طیف خط دوگانه‌ی منیزیوم یونیزه را نسبت به طول‌موج انتقال نیافته‌اش (در ۲۷۹۶ آنگستروم) نشان می‌دهد. این شواهد نشان می‌دهند که کهکشان SDSS J۰۹۰۵+۵۷ احتمالا در مراحل پایانی یک کهکشان برخوردی است.

تصویر ۲: چپ: نقشه تابش مولفه‌ی اصلی مونوکسید کربن. راست: نقشه‌ی دنباله‌ی تابش مونوکسید کربن. در این تصویر به وضوع مشخص است که مکان دنباله از مولفه‌ی اصلی فاصله دارد. این فاصله برابر ۸ کیلوپارسک است.

در این مقاله، مولفان به سراغ خطوط مربوط به گازهای ملکولی سرد (در مقابل گازهای یونیزه‌ی میان‌ستاره‌ای) رفته‌اند. آن‌ها با آرایه‌ی تداخل‌سنج پلاتو دو بور در فرانسه، خط نشری (۱-۲) CO را رصد کرده‌اند. در دمای حدود ۱۰ کلوین، مونوکسید کربن (CO) جهشی از لایه‌ی ۲ به ۱ دارد که خط نشری حاصل از این جهش ملکولی می‌تواند نشان‌دهنده‌ی گاز ملکولی سرد در کهکشان باشد. در تصویر ۱، نمودار زرد رنگ طیف این بخش از کهکشان را نشان می‌دهد. قله‌ای که در این نمودار دیده می‌شود خط نشری (۱-۲) CO است که در محور افقی سرعت آن نزدیک به صفر نشان داده شده است (زیرا بخش اعظم گاز ملکولی سرد در داخل کهکشان ثابت است). اما علاوه بر این قله‌ی اصلی، خط  (۱-۲) CO دنباله‌ی پهنی نیز دارد که تا سرعت حدود ۱۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه کشیده شده است! این دنباله بخشی از گاز را نشان می‌دهد که در حال خروج از کهکشان است و بر اثر پدیده‌ی دوپلر انتقال به آبی پیدا کرده است. سرعت بیرون‌ریزی  (۱-۲) CO بین ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه تخمین زده شده است. از این داده‌ها می‌توان نتیجه‌گیری کرد که گاز ملکولی سرد در حال خروج از کهکشان است. علت خروج این گاز بازخوردهای ستاره‌ای است، به این معنا که فعالیت‌های شدید ستاره‌زایی در مرکز کهکشان موجب بیرون‌ریزی گازهای ملکولی سرد شده‌اند.

برای تایید بیرون‌ریزی گاز سرد، مولفان نقشه‌ی مولفه‌ی اصلی (۱-۲) CO این کهکشان را با نقشه‌ی دنباله‌ی آن مقایسه کرده‌اند. در تصویر ۲ (سمت چپ) نقشه‌ی مولفه‌ی اصلی  (۱-۲) CO را می‌بینید. رنگ‌ها نشان‌دهنده‌ی شدت تابش (۱-۲) CO هستند (قرمز بیشترین شدت را نشان می‌دهد). علامت به‌علاوه در میانه‌ی تصویر محل بیشترین شدت (۱-۲) CO را نشان می‌دهد. تصویر ۲ سمت راست شدت دنباله‌ی (۱-۲) CO را که سرعتی بین ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه دارد، نشان می‌دهد. به وضوح می‌توان دید که این دنباله از مرکز تابش (۱-۲) CO فاصله دارد. این فاصله حدود ۸ کیلوپارسک است.

تصویر ۳: تصویر مرئی کهکشان از تلسکوپ فضایی هابل. مکان دنباله‌ی مونوکسید کربن با منحنی سفید نشان داده شده است که مشخص است در حال خروج از کهکشان است. اندازه‌ی توده‌ی گاز مولکولی (تابش مونوکسید کربن اصلی که با دایره‌ی مشکی نشان داده شده است) بسیار بزرگتر از اندازه‌ی کهکشان میزبان است.

در تصویر ۳ مکان تابش (۱-۲) CO را در مقایسه با مکان کهکشان در تصاویر نور مرئی تلسکوپ فضایی هابل می‌بینید. در این تصویر شکل کهکشان در نور مرئی مشخص است. منحنی‌های سفید تابش دنباله‌ی (۱-۲) CO را نشان می‌دهند و منحنی سیاه اندازه‌ی مولفه‌ی اصلی تابش (۱-۲) CO است. اندازه‌ی این مولفه‌ی اصلی که سرعتی کمتر از ۲۰۰ کیلومتر بر ثانیه داشت، حدود ۱۳۰ بار بزرگتر از اندازه‌ی کهکشان در نور مرئی است. این مولفه نیز ممکن است حاصل از بیرون‌ریزی در اثر فعالیت‌های ستاره‌زایی باشد، اما از طرفی نیز ممکن است گازی باشد که در مراحل پیشین برخوردی کهکشان به بیرون پرتاب شده است.

شناخت ارتباط بین انتقال انواع شکل‌های انرژی و تکانه با محیط میان‌ستاره‌ای نقشی کلیدی در مطالعه‌ی تحول کهکشان‌ها دارد. بیرون‌ریزی گاز ملکولی رصد شده در کهکشان SDSS J۰۹۰۵+۵۷ در مقایسه با رصدهای مشابه در کهکشان‌های ستاره‌فشان دیگر، بسیار وسیع‌تر است. در کهکشان‌های محلی معمولا مقدار گازی که در حال خروج از کهکشان است فقط حدود چند درصد کل گاز کهکشان است، در حالی که گاز ملکولی در حال خروج از SDSS J۰۹۰۵+۵۷ یک سوم جرم کل گاز این کهکشان را تشکیل می‌دهد! این ممکن است به علت اندازه‌ی بسیار فشرده و ذات ناآرام این کهکشان باشد که با نرخ بسیار بالایی در حال تولید ستاره در مرکزش است. در هر حال این مقاله نشان می‌دهد که فعالیت‌های خالص ستاره‌ای نیز می‌توانند در تحول کلی کهکشان و متوقف کردن ستاره‌زایی از طریق خارج کردن گازهای ملکولی نقش داشته باشند. تا پیش از این تنها عاملی که تصور می‌شد در خارج کردن گازها از کهکشان موثر است، هسته‌های کهکشانی فعال بودند.