کهکشان‌ها چه مقدار فوتون‌‌های پرانرژی تولید می‌کنند؟

0 0 0 0

توسط آیرین شیوایی , 13 نوامبر 2017

بخش اعظم تابش کهکشان‌های فعال و ستاره‌ها در طول‌موج‌های فرابنفش و فروسرخ (تابش غبار) است. این تابش عمدتا از ستاره‌های پرجرم ناشی می‌شود. به همین علت برای شناخت و بررسی تحول کهکشان‌های فعال احتیاج داریم ویژگی‌های ستاره‌های پرجرم را بهتر بشناسیم. ما در این مقاله، کمیت بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده را، که نشان‌دهنده‌ی ویژگی‌های ستاره‌های بسیار پرجرم است، در کهکشان‌های دور اندازه‌گیری کرده و آن را با مدل‌های ستاره‌ای مقایسه کرده‌ایم.

شکل ‍۱: تابع توزیع بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده که از رصدها به دست آمده است در بالا، و پیش‌بینی‌های مدل‌های ستاره‌ای در پایین نشان داده شده است. هر یک از نقاط زرد یکی از پیش‌بینی‌ها را با پیش‌فرض‌های اولیه‌ی متفاوت نشان می‌دهد. دو نمودار توزیع در بالا نیز دو اندازه‌گیری متفات است. برای جزئیات پیش‌فرض‌ها و رصدها به مقاله‌ی اصلی رجوع کنید.

بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده به ما نشان می‌دهد که کهکشان چه مقدار فوتون یونیزه‌کننده‌ی هیدروژن (فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از ۱۳.۶ الکترون‌ولت) در واحد درخشندگی‌اش تولید می‌کند. این کمیت در تقریب اول به نسبت تعداد ستاره‌های پرجرم که تابش یونیزه‌کننده دارند به ستاره‌های کم‌جرم‌تر که تابش یونیزه‌کننده ندارند وابسته است. برای مثال اگر کهکشان در اثر برخورد کهکشانی ناگهان ستاره‌زایی زیادی پیدا کند، ستاره‌های پرجرم بیشتری تولید می‌کند که باعث می‌شود برای مدت زمان کوتاهی بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده‌اش بالا رود. از طرف دیگر بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده به شکل طیفی تابش ستاره‌های پرجرم نیز وابسته است. برای مثال، ستاره‌های پرجرم با فراوانی فلزی کم تابش پرانرژی‌تری نسبت به ستاره‌های پرجرم و پرفلز دارند. همان‌طور که از این مثال‌ها مشخص است، اندازه‌گیری بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده اطلاعات زیادی درباره‌ی ویژگی‌های ستاره‌های پرجرم کهکشان‌های دوردست به ما می‌دهد.

ما در این مقاله، با استفاده از داده‌های طیفی تلسکوپ کک و تصاویر تلسکوپ هابل، بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده را برای حدود ۷۰۰ کهکشان‌ در انتقال‌به‌سرخ ۱.۵ تا ۲.۵ اندازه‌گیری کرده‌ایم. یکی از مزیت‌های این بررسی، دسترسی به خطوط نشری هیدروژن در طیف مرئی کهکشان‌هاست که به ما کمک می‌کند به طور مستقل نرخ تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده را محاسبه کنیم. در شکل یک توزیع بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده را که از رصدها به دست آمده است (شکل بالا) و آنچه مدل‌های تحول ستاره‌ای پیش‌بینی می‌کنند (شکل پایین) می‌بینید. دو توزیع مختلف در بخش بالای شکل یک از دو فرض متفاوت برای محاسبه‌ی بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده می‌آید، که نشان‌دهنده‌ی عدم قطعیت در محاسبات رصدی است. در بخش پایینی شکل یک، پیش‌بینی‌های گوناگون با شرایط اولیه‌ی گوناگون از مدل‌های ستاره‌ای نشان داده شده است. این پیش‌بینی‌ها نیز گستره‌ی عظیمی از مقادیر بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده را نشان می‌دهند.

در این مقاله همچنین نشان داده شده است که بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده در کهکشان‌های دوردست بیشتر از آنچه پیشتر در مدل‌های بازیونش کیهانی فرض گرفته می‌شده، است (درباره‌ی دوران بازیونش اینجا بخوانید). یکی از پرسش‌های مهم درباره‌ی دوران بازیونش این است که آیا کهکشان‌ها می‌توانسته‌اند هیدروژن را در فضای میان‌کهکشانی یونیزه کنند یا خیر. یافته‌‌های این مقاله نشان می‌دهند که کهکشان‌ها در دوران بازیونش بیشتر از آنچه فرض می‌شده فوتون‌های یونیزه‌کننده تولید می‌کرده‌اند. اگر این فوتون‌های یونیزه‌کننده بتوانند از کهکشان فرار کرده و وارد فضای میان‌کهکشانی شوند، به بازیونش کیهان کمک می‌کنند. در آینده با تلسکوپ فضایی جیمز وب می‌توان چنین رصدهایی را برای کهکشان‌های دورتر در دوران بازیونش انجام داد و بازدهی تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده را در آن‌ها به طور مستقیم اندازه‌گیری کرد.