تتطلب الدراسات التفصيلية لتكوّن المجرات تعريفات واضحة لمكوناتها البنيوية. كما أن التعريفات الدقيقة للمكونات تتيح مقارنات أفضل بين الرصد والمحاكاة. نستخدم عينة فرعية من ثمانية عشر محاكاة كونية عالية الدقة من مشروع NIHAO لتطوير طريقة قوية لتعريف الأقراص النجمية الحركية في المجرات. تعتمد طريقتنا على نماذج خلط غاوسي في فضاء ثلاثي الأبعاد من المتغيرات الديناميكية. تمتلك مجرات NIHAO الكتلة النجمية الصحيحة نسبةً إلى كتلة الهالة، كما أن زخمها الزاوي ومؤشرات سيرسيك تتوافق مع الرصد. في حين أن نسب القرص إلى الكل الضوئية قريبة من الواحد لجميع المجرات المحاكاة، فإن النسب الحركية تقارب \(\sim 0.5\). بالتالي، فإن البنية الأسية لا تعني بالضرورة وجود قرص حركي بارد. فوق كتلة نجمية \(M_{\rm *}\sim10^{9.5} \rm M_{\odot}\)، تؤدي عملية التفكيك إلى أقراص رقيقة وكريات لها خصائص مختلفة بوضوح من حيث الزخم الزاوي، والدعم الدوراني، والاستطالة، ونسبة [Fe/H] و[O/Fe]. أما عند الكتل الأقل \(M_{\rm *}\lesssim10^{9.5} \rm M_{\odot}\)، فإن التفكيك ينتج أقراصًا وكريات ذات خصائص أقل تميزًا. في هذه الكتل المنخفضة، تمتلك كل من الأقراص والكريات توزيعات أسية مع نسب محور صغير إلى محور كبير مرتفعة، أي أقراص سميكة.
المجرات: المحتوى النجمي - المجرات: البنية - المجرات: الحركيات والديناميكيات - المجرات: المعاملات الأساسية - الطرق: عددية
تتكون المجرات من عدة مكونات، تشمل بنى مثل القرص الرقيق والسميك، والانتفاخ، والهالة النجمية. يتطلب فهم كيفية تكوّن وتطور المجرات فهم العمليات التي تخلق كل مكون وكيفية انتقال المادة من مكون إلى آخر. يتطلب دراسة كل مكون على حدة تعريفًا واضحًا له.
بشكل عام، تُصنف مكونات المجرات إلى فئتين رئيسيتين: الأقراص والكريات. هناك خمسة خصائص رئيسية تميز الأقراص عن الكريات:
الشكل: الأقراص مفلطحة مع محور واحد أقصر بكثير من المحورين الآخرين المتعامدين والمتساويين تقريبًا في الطول. أما الكريات فهي مستديرة مع ثلاثة محاور متعامدة متساوية تقريبًا.
الحركيات: الأقراص مدعومة بالدوران، حيث يكون المكون السائد لسرعات النجوم في الاتجاه السمتّي. أما الكريات فمدعومة بالتشتت، حيث تتبع النجوم مدارات عشوائية.
العمر: غالبًا ما تتكون الأقراص من نجوم شابة تعطيها ألوانًا زرقاء. أما الكريات فقد توقفت عن تكوين النجوم منذ مليارات السنين، لذا فهي حمراء اللون.
وفرة المعادن: تتبع وفرة المعادن أعمار النجوم بحيث تكون الأقراص الشابة أقل غنىً بعناصر ألفا مقارنة بالكريات.
توزيع الكثافة السطحية: تتبع الأقراص توزيعات كثافة سطحية أسية، بينما تتبع الكريات توزيعات دي فوكلور. في المجرات النموذجية، تهيمن التوزيعات الأسية على الأطراف بينما تهيمن الكريات الحادة على المراكز.
قبل إجراء دراسات تفصيلية لأصل البنى المجرية، من الضروري تحديد المكونات الفردية. لفترة طويلة، كان يتم تفكيك المجرات بناءً فقط على مظهرها الضوئي . تظهر المجرات ذات الشكل القرصي ومنحنيات الدوران المنتظمة غالبًا توزيعات كثافة سطحية أسية. لذا، غالبًا ما يُفترض أن المجرات ذات التوزيعات الأسية تحتوي على نجوم في مدارات دائرية منتظمة.
يمكن تصنيف الأقراص والكريات بشكل أكثر موثوقية باستخدام خصائصها الديناميكية. الأقراص مدعومة بالدوران، بينما الكريات مدعومة بالتشتت. ومع ذلك، لا يمكن قياس الحركيات النجمية الدقيقة إلا في مجرة درب التبانة. في المجرات الخارجية، توفر أجهزة الطيف الميداني المتكامل (IFU) أقصى قدر من المعلومات الديناميكية على شكل خرائط لحظات السرعة على خط البصر . يحتوي كل عنصر طيفي (spaxel) على الضوء المجمع من نجوم في مدارات متنوعة. لتحديد النسب النسبية للنجوم في كل مكون مجري، يمكن بناء نماذج توازن للمجرات من نجوم مختارة من عائلات وطاقات متنوعة . لمثال حديث على نمذجة شفارتزشيلد باستخدام بيانات IFU، انظر . كما هو الحال في العديد من الرصودات، النجوم الشابة أكثر سطوعًا من القديمة، لذا عند وجود تجمع نجمي شاب في المجرة، يصعب كشف حركيات التجمع القديم. من المرجح إذًا أن يتم التركيز على مكون القرص في المجرات التي تحتوي على تجمعات نجمية شابة.
هناك عمل نظري كبير حول كيفية تكوّن الأقراص والكريات النجمية في سياق تكوّن المجرات. عندما تنهار الهالات المجاورة، توفر عزمًا زاويًا للغاز . في البداية، يكون للغاز والمادة المظلمة عزم زاوي مشترك. في الصورة القياسية، تتكون الأقراص النجمية من غاز يبرد ويستقر في توازن مركزي في قاع الجهد ضمن هالة المادة المظلمة الدوارة . وبما أن الغاز تصادمي، يبقى في مدارات دائرية، وبالتالي تتكون النجوم أيضًا في مدارات دائرية. تتكون الأقراص في هذه النماذج بتوزيعات أسية على عدة أطوال مميزة . تتبع هذه المجرات القرصية علاقة تولي-فيشر المرصودة وتنتج تشتتًا في مستوى الحجم-السرعة الدورانية متوافقًا مع الرصد .
تقليديًا، تزداد تشتت السرعة العمودية للأقراص عبر عمليات مثل الاندماجات الثانوية ، والهجرة الشعاعية أو التشتت بواسطة كتل كثيفة . بهذه الطريقة، تتكون الأقراص السميكة من تجمعات نجمية قديمة، بينما تعيد الأجيال الشابة تكوين قرص رقيق باستمرار. تشير المحاكاة العددية الحديثة إلى أن الصورة قد لا تكون بهذه البساطة. قد تتكون الأقراص سميكة من بيئة تكوّن مضطربة ناتجة عن الاندماجات ، أو بنية قرصية متكتلة ، أو ارتداد نجمي .
في الصورة الهرمية لتكوّن المجرات، قد تؤدي الاندماجات إلى تدمير الأقراص الرقيقة بشكل كبير لتنتج مكون الكرة . إلا أن انتشار الأقراص الرقيقة في الكون يشير إلى أن تأثير الاندماجات محدود أو أن الاندماجات قد تساعد في إعادة تكوين الأقراص . كما أن تساقط الغاز السلس بعد الاندماج قد يعيد تكوين الأقراص الرقيقة .
تحسنت المحاكاة العددية لتكوّن المجرات بشكل كبير في العقد الأخير . كان المحرك الأساسي لهذا التقدم هو تطبيق ارتداد نجمي فعال . يمكن للارتداد النجمي أن يمنع الفقد الكارثي للعزم الزاوي الذي كان يعيق المحاكاة السابقة . بهذه الطريقة، أصبحت المحاكاة الآن قادرة على إعادة إنتاج العديد من الخصائص الإحصائية لتجمعات المجرات .
على وجه الخصوص، تعيد العينة الكبيرة من المحاكاة الكونية "التكبيرية" التي قدمها إنتاج علاقة الكتلة النجمية - كتلة الهالة عبر أربعة رتب مقدار عند انزياحات حمراء مختلفة. نموذج الارتداد المستخدم قادر على إعادة إنتاج مجموعة واسعة من القيود الرصدية ، ليس فقط لأنظمة كتلة درب التبانة بل أيضًا من الأقزام حتى أنظمة أكبر بعدة مرات من درب التبانة . حقيقة أن هذه المجرات تتبع علاقة الكتلة النجمية - كتلة الهالة عبر مدى واسع من الكتل والانزياحات الحمراء يجعل هذه العينة اختبارًا مفيدًا لتقييد تكوّن النجوم باستخدام الارتداد النجمي.
رغم هذه النجاحات، لا تزال هناك أسئلة مفتوحة. في هذه الدراسة نركز على اثنين منها: قلة المجرات المهيمنة بالقرص في المحاكاة وزيادة سماكة هذه الأقراص. اقترح أن بعض "الصعوبة" في محاكاة المجرات الخالية من الانتفاخات تأتي من المقارنة غير الملائمة بين الرصد والمحاكاة. غالبًا ما تعتمد رصودات المجرات "الخالية من الانتفاخ" على توزيعات الكثافة السطحية، بينما تأخذ المحاكاة في الاعتبار الحركيات عند تحديد نسبة الانتفاخ. أحد نتائج استخدام ارتداد نجمي قوي لتقييد تكوّن النجوم هو زيادة حركات الغاز في المحاكاة، مما يؤدي إلى أقراص أكثر سماكة من الواقع .
يعد تفكيك المجرات المحاكاة أكثر مباشرة من المجرات المرصودة لأن لدينا معلومات كاملة عن المواقع والسرعات (6 أبعاد) للجسيمات، بالإضافة إلى الأعمار والغنى المعدني. يمكن أيضًا استخدام كل هذه المعلومات لإنشاء صور افتراضية للمجرات المحاكاة بناءً على نماذج التجمعات النجمية. بذلك، يمكننا إجراء مقارنة بين تقنيات التفكيك الضوئي والحركي. يمكن أن تسلط مقارنة هذه التقنيات الضوء على كيفية تكوّن المجرات وتوفر اختبارًا إضافيًا لمعرفة ما إذا كانت المجرات المحاكاة باستخدام الارتداد النجمي تشترك في خصائص المجرات المرصودة.
يعتمد التفكيك الحركي القياسي الحالي للمجرات المحاكاة على تحليل توزيع دائرية المدارات النجمية، \(\epsilon\) . تُحسب الدائرية \(\epsilon(E) \equiv J_{\rm z}/J_{\rm c}(E)\)، حيث \(J_{\rm z}\) هو العزم الزاوي السمتّي للجسيم و\(J_{\rm c}(E)\) هو العزم الزاوي لمدار دائري له نفس طاقة الربط \(E\). تؤدي هذه التفكيكات الحركية إلى مجرات ذات نسب انتفاخ إلى قرص أعلى مما تجده التفكيكات الضوئية للمجرات المرصودة عادةً . ومع ذلك، فإن الطرق الكلاسيكية للتفكيك تجعل تصنيف النجوم ذات القيم المتوسطة للدائرية غامضًا.
إذا أردنا تتبع أصول مكونات القرص والانتفاخ، سيكون من المفيد إزالة أو على الأقل تقليل هذه التصنيفات الغامضة. بما أن \(J_{\rm z}\) هو بعد واحد فقط من فضاء الطور ذي الأبعاد الستة، اقترح إضافة طاقة الربط \(E\) ومكون العزم الزاوي العمودي على القرص \(J_{\rm p}\) للمساعدة في تصنيف النجوم بشكل أقل غموضًا. أيضًا، بدلاً من اعتماد قيم ثابتة في الإحداثيات المختلفة للتمييز بين المكونين ، استخدموا خوارزمية تجميع إحصائية لتحديد أفضل مكان للفصل بناءً على البيانات نفسها.
في هذا البحث، نستخدم عينة من ثمانية عشر محاكاة كونية عالية الدقة من مشروع التحقيق العددي لمئة جسم فلكي (nihao). نقترح ونختبر طريقة جديدة للتفكيك الحركي مبنية على ما طرحه DM12. الهدف الأول من هذه الدراسة هو الحصول على تعريف قوي للأقراص في المحاكاة، حتى نتمكن من دراسة تاريخ تكوّنها. الهدف الثاني هو مقارنة الرصد والمحاكاة بطريقة أكثر موثوقية، خاصة في القضايا المفتوحة حول سماكة القرص وهيمنته. وأخيرًا، يسمح لنا وجود عينة من المجرات المحاكاة تغطي رتبة مقدار في الكتلة النجمية بالبحث عن اتجاهات مع الكتلة يمكن استخدامها لاحقًا للتنبؤات.
هيكل الورقة كما يلي: يصف القسم §2 كود المحاكاة وعينة المجرات. وتُعرض طريقة التفكيك الحركي في القسم §3. جميع الخصائص الخمسة التي تميز الأقراص الحركية عن الكريات الحركية تُحلل في قسم النتائج §4. في نفس القسم نقارن أيضًا بعض خصائص المجرات المحاكاة مع البيانات الرصدية. وتُعرض الاستنتاجات في القسم §5.
البريد الإلكتروني: obreja@mpia.de↩︎