کهکشان‌های پیر چگونه به وجود می‌آیند؟

0 0 0 0

توسط آیرین شیوایی , 24 می 2015

کهکشان‌ها به دو دسته‌ی کلی تقسیم‌بندی می‌شوند: کهکشان‌های جوان و ستاره‌زا^(۱) و آبی رنگ، و کهکشان‌های پیر و آرام^(۲) و قرمز که ستاره‌زایی در آن‌ها بسیار کم است. وجود گاز میان‌ستاره‌ای لازمه‌ی شکل‌گیری ستاره‌هاست، به همین علت کهکشان‌های ستاره‌زا گاز زیادی دارند و کهکشان‌های آرام گاز میان‌ستاره‌ای کمی دارند. اینکه چگونه ستاره‌زایی در کهکشان‌های ستاره‌زا متوقف می‌شود و آن‌ها را به کهکشان‌های پیر تبدیل می‌کند، هنوز نامشخص است. مکانیزمی باید وجود داشته باشد که از طریق آن گاز میان‌ستاره‌ای کهکشان که ستاره‌ها از آن به وجود می‌آیند به اتمام برسد. خارج شدن گاز از کهکشان از طریق جریان‌های بیرون‌رونده^(۳)، یا از طریق ربوده‌شدن^(۴) گاز‌های میان‌ستاره‌ای در محیط‌های چگال (مانند خوشه‌های کهکشانی)، از جمله سناریوهای موجود برای توضیح پیدایش کهکشان‌های آرام هستند. در این مقاله، مولفان سناریوی دیگری را به نام «اختناق»^(۵) بررسی می‌کنند. در این سناریو، ذخیره‌ی گاز سرد کهکشان که لازمه‌ی شکل‌گیری ستاره‌هاست متوقف می‌شود.

شکل ۱: دو سناریوی اصلی درباره‌ی چگونگی توقف ستاره‌زایی در کهکشان‌ها و به وجود آمدن کهکشان‌های پیر و آرام.
ردیف بالای سناریوی خروج ناگهانی گاز از داخل کهکشان را نشان می‌دهد که موجب توقف ستاره‌زایی می‌شود. ردیف پایین سناریوی اختناق است که بر طبق آن منبع تامین گاز کهکشان قطع می‌شود و کهکشان آرام آرام گاز باقی‌مانده را مصرف می‌کند تا به اتمام برسد و ستاره‌زایی متوقف شود.

کهکشان‌های ستاره‌زا و آرام را از طرق مختلف می‌توان از یکدیگر تفکیک کرد، برای مثال با استفاده از رنگ، سن، یا ترکیبی از ویژگی‌های گوناگون مانند نرخ ستاره‌زایی و جرم ستاره‌ای آن‌ها. مولفان این مقاله از کمیت فراوانی فلزی برای تفکیک این دو گروه از کهکشان‌ها استفاده کرده‌اند و ادعا می‌کنند که فراوانی فلزی به خوبی تفاوت بین سناریوی اختناق و از دست دادن ناگهانی گاز (از طریق جریان‌های بیرون‌رونده یا ربوده شدن گاز) را نشان می‌دهد. شکل یک به خوبی نشان می‌دهد که چگونه با کمک فراوانی فلزی می‌توان این دو سناریو را از هم تشخیص داد.

تولید ستاره در کهکشان باعث افزایش جرم ستاره‌ای کهکشان و همچنین فراوانی فلزی آن می‌شود، زیرا فلزات در ستاره‌ها به وجود می‌آیند. در ردیف بالایی شکل ۱، جریان گازی به داخل کهکشان^(۶) ذخیره‌ی لازم برای به وجود آمدن ستاره‌ها را تامین می‌کند (ابرهای گازی خاکستری در شکل سمت چپ، ردیف بالا، نشان‌دهنده‌ی جریان گاز به داخل کهکشان هستند). ستاره‌ها در کهکشان به وجود می‌آیند و باعث افزایش جرم ستاره‌ای و فراوانی فلزی کهکشان می‌شوند. این افزایش با دایره‌های آبی در نمودار فراوانی فلزی بر حسب جرم ستاره‌ای نشان داده شده است. در زمان (t(q ناگهان ستاره‌زایی متوقف می‌شود. این توقف با خروج ناگهانی گازهای میان‌ستاره‌ای (برای مثال از طریق ربوده شدن گاز به علت بادهای شدید) رخ می‌دهد. در نتیجه، دیگر گازی در کهکشان وجود ندارد که ستاره‌زایی رخ دهد و کهکشان به یک کهکشان پیر و آرام تبدیل می‌شود (شکل سمت راست در ردیف بالا). در این حالت جرم ستاره‌ای و فراوانی فلزی کهکشان آرام تغییر چندانی نسبت به آخرین زمانی که ستاره‌زا بوده، نکرده است. این حالت با دایره‌ی قرمز در نمودار ردیف بالا نشان داده شده است.

حال اگر سناریوی اختناق را در نظر بگیریم، داستان کمی متفاوت پیش خواهد رفت. در ابتدا کهکشان مانند حالت قبل جریان‌های گازی به داخل دارد که موجب افزایش جرم ستاره‌ای و فراوانی فلزی به مرور زمانی می‌شوند (دایره‌های آبی در نمودار ردیف پایین). این بار توقف ستاره‌زایی به علت ربوده‌ شدن ناگهانی گاز داخل کهکشان نخواهد بود، بلکه منبع تامین گاز (یعنی جریان رو به داخل) قطع می‌شود. اما کهکشان همچنان ذخیره‌ی کمی از گاز دارد که آن را به مرور به ستاره تبدیل می‌کند تا به اتمام برسد. در هنگام مصرف ذخیره‌ی داخلی گاز، جرم ستاره‌ای مثل قبل زیاد می‌شود اما فراوانی فلزی به مقدار بسیار بیشتری افزایش پیدا می‌کند (دایره‌ی قرمز در نمودار ردیف پایین). علت این پدیده این است که تا پیش از مرحله‌ی توقف، جریان‌های گاز رو به داخل، گاز موجود در کهکشان را رقیق می‌کردند و فراوانی فلزی که ناشی از ستاره‌زایی بود در مجموع با نرخ کمی افزایش پیدا می‌کرد. اما اکنون که دیگر گاز داخل کهکشان با جریان خارجی رقیق نمی‌شود، نسبت فلزات در کهکشان با نرخ بیشتری افزایش پیدا می‌کنند و فراوانی فلزی ناگهان بسیار زیاد می‌شود.

شکل ۲: نمودار فراوانی فلزی بر حسب جرم ستاره‌ای. خط آبی کهکشان‌های ستاره‌زا و خط قرمز کهکشان‌های آرام را نشان می‌دهد. این خطوط نتایج رصد ۲۶۰۰۰ کهکشان هستند. بیشتر بودن فراوانی فلزی کهکشان‌های آرام نسبت به کهکشان‌های ستاره‌زا، در یک جرم مشخص، تاییدی بر سناریوی اختناق است.

در نتیجه در سناریوی اختناق، کهکشان آرام و پیر فراوانی فلزی بسیار بیشتری از کهکشان ستاره‌زای قبلی خواهد داشت و جرم ستاره‌ای آن کمی بیشتر خواهد بود. در حالی که در سناریوی خارج شدن ناگهانی گاز، فراوانی فلزی و جرم ستاره‌ای کهکشان پیر کمی بیشتر از کهکشان ستاره‌زای قبلی خواهند بود و تغییر قابل توجهی نخواهند کرد.

از نظر رصدی نمی‌توان روند تکامل یک کهکشان را زیر نظر گرفت، اما می‌توان تعداد زیادی کهکشان ستاره‌زا و آرام را رصد کرد و جرم ستاره‌ای و فراوانی فلزی آن‌ها را اندازه‌ گرفت. مولفان این مقاله ۳۹۰۵ کهکشان ستاره‌زا و ۲۲۶۱۸ کهکشان آرام را از پروژه‌ی SDSS^* انتخاب کرده و این دو کمیت را برای آن‌ها اندازه‌گیری کرده‌اند. نتیجه‌ی میانگین این اندازه‌گیری‌ها را در شکل ۲ می‌بینید. نوار آبی کهکشان‌های ستاره‌زا و نوار قرمز کهکشان‌های آرام را نشان می‌دهد. در یک جرم مشخص (محور افقی)، فراوانی فلزی (محور عمودی) کهکشان‌های آرام بسیار بیشتر از کهکشان‌های ستاره‌زا است. این چیزی است که از سناریوی اختناق انتظار می‌رود، و نه سناریوی خارج شدن ناگهانی گاز.

مولفان این نتایج را با مدل‌های تئوری نیز مقایسه کرده‌اند و در نهایت نتیجه‌گیری کرده‌اند که سناریوی اختناق عامل اصلی توقف ستاره‌زایی در کهکشان‌های آرام است.