هل دوران الهالة المظلمة مؤشر على دوران وحجم المجرة؟

الملخص

إن التشابه بين توزيعات معاملات الدوران للمجرات (\(\lambda_{\rm gal}\)) وهالات المادة المظلمة (\(\lambda_{\rm halo}\))، كما تشير إليه كل من المحاكاة والرصد، يُفسر بشكل ساذج على أنه وجود ارتباط واحد لواحد بين دوران المجرة ودوران هالتها المضيفة. ويُستخدم هذا الافتراض للتنبؤ بأحجام المجرات في النماذج شبه التحليلية عبر العلاقة \(R_{\rm e}\simeq \lambda_{\rm halo}R_{\rm vir}\)، حيث \(R_{\rm e}\) هو نصف قطر الكتلة النجمية للمجرة و\(R_{\rm vir}\) هو نصف قطر الهالة. باستخدام مجموعتين مختلفتين من المحاكاة الكونية عالية الدقة، وجدنا أن \(\lambda_{\rm gal}\) و\(\lambda_{\rm halo}\) للهالة المضيفة مرتبطان بشكل ضعيف جداً، خاصة عند \(z \geq 1\). من المتوقع أن يحدث هذا التشتت في الارتباط بسبب اختلاف تاريخ الدوران، حيث أن الباريونات التي تم اكتسابها حديثاً عبر التدفقات تكتسب ثم تفقد زخماً زاويًا كبيرًا مقارنة بالمادة المظلمة التي تتراكم تدريجياً. إذا افترضنا أن دوران الباريونات والمادة المظلمة مرتبطان عند دخول \(R_{\rm vir}\)، فإن غياب الارتباط في النهاية يعكس وجود ارتباط عكسي بين \(\lambda_{\rm gal}/\lambda_{\rm halo}\) و\(\lambda_{\rm halo}\)، والذي قد ينشأ جزئياً من الاندماجات ومرحلة التراكم النجمي المضغوط التي تمر بها العديد من المجرات. من ناحية أخرى، تميل متجهات دوران الهالة والمجرة إلى الاصطفاف، حيث يكون الوسيط \(\cos \theta = 0.6\)-0.7 بين المجرة والهالة، بما يتوافق مع التدفق ضمن مستوى مفضل. دوران المجرة مرتبط بشكل أفضل مع دوران الهالة الداخلية، لكن ذلك يعكس إلى حد كبير تأثير الباريونات على الهالة. وبناءً على غياب الارتباط في الدوران، فإن \(\lambda_{\rm halo}\) ليس مؤشرًا جيدًا لـ\(R_{\rm e}\). وبينما تعيد محاكياتنا إنتاج علاقة عامة من نوع \(R_{\rm e}= A R_{\rm vir}\)، متوافقة مع التقديرات الرصدية، تصبح العلاقة أكثر إحكامًا مع \(A = 0.02 (c/10)^{-0.7}\)، حيث \(c\) هو تركيز الهالة، مما يُدخل تبعية للكتلة والانزياح الأحمر.

المادة المظلمة — المجرات: التطور — المجرات: التشكل — المجرات: الهالات

مقدمة

في النموذج القياسي لتشكل البنية الهرمية، ينمو الزخم الزاوي (AM) لهالة المادة المظلمة البدائية بفعل عزم المد الجذبي واسع النطاق حتى أقصى توسع. وقد أظهرت "نظرية عزم المد" (TTT) (انظر ; ) توافقًا جيدًا مع تنبؤات المحاكاة الكونية \(N\)-الجسيمية (انظر ). غالبًا ما يُوصف الزخم الزاوي للهالة باستخدام معامل الدوران اللابُعدي :

\[ \lambda = \frac{j}{\sqrt{2}V_{\rm vir}R_{\rm vir}} \]

حيث \(j=J/M\) هو الزخم الزاوي النوعي، و\(R_{\rm vir}\) و\(V_{\rm vir}\) هما نصف قطر وسرعة الهالة الفيريلية.³ يمكن أن يشير معامل الدوران كما هو معرف في المعادلة أعلاه إلى أي جزء من الهالة، وأي مكون من المجرة داخل الهالة، مثل الغاز و/أو النجوم في القرص أو المجرة ككل، باستخدام الزخم الزاوي النوعي للمكون المعني.

تتشكل المجرات عندما يتكثف الغاز البارد داخل آبار الجهد لهالات المادة المظلمة . وبما أن الباريونات والمادة المظلمة تتوزعان مكانيًا بشكل متشابه في الشبكة الكونية، فمن المتوقع أن تكتسبا مقدارًا متقاربًا من الزخم الزاوي النوعي بفعل عزوم المد واسعة النطاق. كان يُفترض سابقًا أن الزخم الزاوي للغاز يُحفظ أثناء الانهيار، بحيث يُتوقع أن يكون للقرص المجري دوران مشابه لدوران هالته المضيفة \(\lambda_{\rm gal}\simeq\lambda_{\rm halo}\) (; ; ). بالإضافة إلى ذلك، فإن منحنيات الدوران للمجرات شبه مستوية، لذا فإن سرعة الدوران عند نصف قطر مميز للمجرة \(V_{\rm rot}\) تكون قريبة من سرعة الهالة الفيريلية \(V_{\rm vir}\). هذا يربط بين نصف القطر المميز للمجرة ونصف قطر الهالة. يمكن كتابة الزخم الزاوي النوعي للمجرة كالتالي:

\[ j_{\rm gal}\simeq R_{\rm e}V_{\rm rot}, \]

حيث \(R_{\rm e}\) هو نصف قطر الكتلة النجمية ثلاثي الأبعاد للمجرة.⁴ ويمكن التعبير عن نصف قطر المجرة كالتالي:

\[ \begin{aligned} R_{\rm e} &\simeq \frac{j_{\rm gal}}{j_{\rm halo}} \frac{j_{\rm halo}}{R_{\rm vir}V_{\rm vir}}\frac{V_{\rm vir}}{V_{\rm rot}}R_{\rm vir} \nonumber \\ &= f_j\lambda_{\rm halo}R_{\rm vir}. \end{aligned} \]

هنا \(f_j\equiv \lambda_{\rm gal}/\lambda_{\rm halo}\)، حيث \(\lambda_{\rm gal}\) يُعرّف بـ\(j_{\rm gal}/(\sqrt{2}R_{\rm vir}V_{\rm vir})\)، ويُعتبر مساويًا للواحد إذا افترض حفظ الزخم الزاوي للغاز. يُعتمد هذا في معظم النماذج شبه التحليلية لتشكل المجرات (انظر ; ; ) عند محاولة التنبؤ بأحجام الأقراص.

تُظهر المحاكاة الكونية \(N\)-الجسيمية أن دوران الهالة يتبع توزيعات لوغاريتمية-طبيعية بوسيط \(\langle\lambda_{\rm halo}\rangle\simeq0.035\) وانحراف معياري \(\sigma_{\log_{10}\lambda_{\rm halo}} \simeq 0.25\) (انظر ، ). وتُظهر المحاكاة الهيدروديناميكية الكونية أن \(\lambda_{\rm gal}\) و\(\lambda_{\rm halo}\) تتبعان توزيعات لوغاريتمية-طبيعية متشابهة⁵. فعلى سبيل المثال، دوران الغاز داخل \(0.1R_{\rm vir}\) له قيمة متوسطة تقارب \(\sim0.04\) وانحراف معياري \(\sim\)0.25 ديكس (انظر ). وتشير رصديات المجرات القرصية النشطة في النطاق \(z=0.5\)-3 إلى نتيجة مماثلة . تم تقييم معاملات دوران الأقراص باستخدام الزخم الزاوي النوعي المستنتج من حركيات H\(_\alpha\) المقاسة، ومُطبّق عليها التطبيع باستخدام سرعات وأنصاف أقطار الهالة المستنتجة من الحركيات والكتلة النجمية. وجدت هذه الدراسة أن \(\lambda_{\rm gas}\) يتبع توزيعًا لوغاريتميًا-طبيعيًا مشابهًا لما هو موجود لـ\(\lambda_{\rm halo}\) (و\(\lambda_{\rm gas}\)) في المحاكاة.

ظاهريًا، قد يوحي التشابه بين التوزيعات \(P(\lambda_{\rm gal})\) و\(P(\lambda_{\rm halo})\) بأن \(\lambda_{\rm gal}\) لمجرة معينة يعكس \(\lambda_{\rm halo}\) لهالتها المضيفة. ومع ذلك، يجب الانتباه إلى أن معاملي الدوران \(\lambda_{\rm gal}\) و\(\lambda_{\rm halo}\) يشيران إلى مقاييس مكانية وزمنية مختلفة – فالأول يمثل غالبًا الزخم الزاوي النوعي للمنطقة الداخلية وللغاز الوافد حديثًا، بينما الثاني يمثل الزخم الزاوي للمادة المظلمة داخل كامل نصف القطر الفيريل للهالة ويعد تكاملًا على مدى تاريخ التراكم. عمومًا، الكتلة التي تم تراكمها مؤخرًا في الهالة لها زخم زاوي نوعي أعلى من الكتلة التي تراكمت في وقت مبكر. فعلى سبيل المثال، عند نصف القطر الفيريل للهالة، يكون معامل دوران المادة المظلمة وتدفقات الغاز البارد في المحاكاة من رتبة 0.1-0.2 ، وهو أعلى بكثير من دوران الهالة ككل. لذا، فإن التشابه بين توزيعات \(\lambda_{\rm gal}\) و\(\lambda_{\rm halo}\) في الواقع يُشير ضد حفظ الزخم الزاوي.

استخدم المحاكاة الكونية لدراسة تطور الزخم الزاوي النوعي للغاز أثناء تدفقه من الشبكة الكونية وتغذيته للمجرات عند انزياحات حمراء عالية. وصفوا هذا التطور في أربع مراحل، كما هو موضح في رسمهم التخطيطي (الشكل 20). أظهروا أولاً أنه خارج الهالات، وبما أن تدفقات الغاز أضيق من تدفقات المادة المظلمة، فإن لها عزم رباعي القطب أعلى. لذلك، عند دخول \(R_{\rm vir}\)، يكون الزخم الزاوي النوعي للغاز البارد مرتبطًا بقوة، لكنه أعلى بحوالي \(\sim1.5\) مرة من الزخم الزاوي للمادة المظلمة الداخلة. داخل \(R_{\rm vir}\)، يحافظ الغاز أولاً على زخم زاويه في الهالة الخارجية بينما تختلط المادة المظلمة الداخلة مع الهالة القائمة ذات الدوران الأقل؛ ثم يفقد الغاز المتدفق زخمًا زاويًا بسبب التبديد وعزوم المد من القرص المجري الداخلي. وأخيرًا، تؤدي العزوم وتبادل الكتلة داخل الأقراص الغازية إلى تغييرات إضافية في الزخم الزاوي للقرص. أي أن الغاز يكتسب ويفقد زخمًا زاويًا بالنسبة للمادة المظلمة في مراحل مختلفة بسبب آليات متنوعة. أي آلية تسبب تبادل أو اختلاف الزخم الزاوي بين الأجزاء الداخلية والخارجية للهالة، أو أي تغير زمني في إمداد الزخم الزاوي من الشبكة الكونية، يمكن أن تجعل \(f_j\) ينحرف عن الواحد. وبما أن قوة هذه العمليات تختلف من مجرة لأخرى ومن زمن لآخر، فمن المتوقع أن يكون \(f_j\) عشوائيًا، وأن الارتباط الأولي القوي بين الزخم الزاوي للغاز الداخل والمادة المظلمة سيضعف أو ربما يتلاشى. إذا كان \(f_j\) عشوائيًا أو مرتبطًا عكسيًا مع \(\lambda_{\rm halo}\)، فإن الوصفة البسيطة لحجم المجرة كما في المعادلة أعلاه تصبح إشكالية.

جمع عينة من المجرات القريبة ذات أشكال مختلطة واستنتج العلاقة بين حجم المجرة ونصف قطر الهالة الفيريلية باستخدام المطابقة الوفيرة. وجد أن البيانات تتبع علاقة خطية تقريبًا \(R_{\rm e}\simeq AR_{\rm vir}\)، حيث \(A=0.015\) في المتوسط، وتشتت \(\sigma_{\log A}\approx0.25\) ديكس. ومن المثير للاهتمام، أن ليس فقط وسيط عامل التناسب من رتبة ما هو متوقع لـ\(\lambda_{\rm halo}\)، بل أيضًا التشتت مشابه لـ\(\sigma_{\log\lambda_{\rm halo}}\). قام و بتوسيع دراسة إلى \(z=0\)-3. وأكدوا شكل العلاقة الخطية، لكنهم أبلغوا عن عوامل تناسب أكبر قليلاً، مع تبعيات ملحوظة على الانزياح الأحمر. أظهر بالتفصيل أن التشتت في توزيع الأحجام الشرطية في حاويات الكتلة النجمية يتفق تمامًا مع الفرضية البسيطة \(R_{\rm e}\propto \lambda_{\rm halo}R_{\rm vir}\). ومع ذلك، كما أشاروا، فإن هذا لا يثبت وجود ارتباط قوي واحد لواحد بين \(R_{\rm e}\) و\(\lambda_{\rm halo}R_{\rm vir}\). وبما أن \(\lambda_{\rm halo}\) يُتوقع أن يكون شبه ثابت مع الزمن وكدالة للكتلة، فإن تبعية عامل التناسب للكتلة والانزياح الأحمر تشير إلى أن هناك عوامل أخرى بالإضافة إلى \(\lambda_{\rm halo}\) تلعب دورًا في تحديد حجم المجرة.

تثير هذه المخاوف الشكوك حول الافتراضات البسيطة بوجود ارتباط قوي واحد لواحد بين دوران المجرة ودوران هالتها المضيفة، ودور دوران الهالة في تحديد حجم المجرة. وهذا يدفعنا لدراسة هذه القضايا مباشرة في المحاكاة الهيدروديناميكية الكونية. نستخدم مجموعتين من المحاكاة تختلفان بشكل كبير في الفيزياء دون الشبكية لهذه الدراسة. إذا لم يُعثر على ارتباط بين \(\lambda_{\rm gal}\) و\(\lambda_{\rm halo}\)، سنبحث عن وصفة معدلة للتنبؤ بحجم المجرة في النماذج شبه التحليلية.

خطة هذا البحث كالتالي: في القسم 2، نصف المحاكاة. في القسم 3، نقارن توزيعات الدوران لمكونات مختلفة – الغاز البارد، النجوم، وهالة المادة المظلمة. في القسم 4، نصف الارتباطات بين دوران المجرة ودوران الهالة. في القسم 5، نعرض الارتباطات بين دوران الغاز ودوران النجوم. في القسم 6، نستكشف التأثيرات المحتملة للانضغاط الرطب (مرحلة تشكل نجمي مضغوط تمر بها العديد من المجرات عند انزياحات حمراء عالية) والاندماجات على ارتباط \(\lambda_{\rm gal}\)-\(\lambda_{\rm halo}\) (أو غيابه). في القسم 7، ندرس العلاقة بين حجم المجرة ونصف قطر الهالة الفيريلية. في القسم 8، نقارن نتائجنا بالدراسات السابقة. في القسم 9، نلخص الاستنتاجات.