مقدمة

تتصل عملية تشكل المجرات ارتباطاً وثيقاً بتاريخ إعادة التأين الكوني. فعلى الرغم من أن الجاذبية وعمليات تبريد الغاز تؤدي إلى تشكل الهالات المظلمة والمجرات، إلا أن نجومها وكوازاراتها (QSOs) هي مصادر الفوتونات المؤينة الأولية التي تسخن وتؤين الوسط المحيط بها، مما يوفر تغذية راجعة سلبية لتدفق الغاز الإضافي، خاصة في نطاق المجرات القزمة . ونظراً للنطاق الديناميكي الواسع لجميع العمليات ذات الصلة، توفر المحاكاة الكونية إحدى أقوى الطرق لدراسة تشكل المجرات وإعادة التأين نظرياً. ومع ذلك، فإن حل معادلة النقل الإشعاعي بالتزامن مع تطور البنية، والمعادلات الهيدروديناميكية، وتشكيل النجوم والثقوب السوداء بالإضافة إلى تغذيتها الراجعة على الغاز، لا يزال مكلفاً حسابياً بشكل كبير . ولهذا السبب، تميل الدراسات النظرية إلى التركيز إما على إعادة التأين مع معالجة تشكل المجرات بشكل تقريبي جداً، أو على تشكل المجرات مع افتراض حقل إشعاعي متجانس وزمني، وهو ما يسمى بالخلفية فوق البنفسجية (UVB) المستخدمة في المحاكاة الكونية.

يتم إنشاء الـ UVB بواسطة جميع الفوتونات عالية الطاقة (\(E > 13.6\,\mathrm{eV}\)) المنبعثة من المصادر الأولية (النجوم والكوازارات) والثانوية ، والتي يمكنها الهروب من هالات المادة المظلمة المضيفة لها، عبر تاريخ الكون. يحدد الـ UVB الحالة الحرارية والتأيونية للوسط بين المجرات المنتشر (IGM)، كما أن تراكم مصادر الـ UVB يحدد بشكل مباشر إعادة تأين HI وHeII. وقد اكتملت إعادة تأين HI عند \(z\sim5\) ، ويُعتقد أن الإشعاع فوق البنفسجي من النجوم الضخمة هو المحرك الرئيسي لها ، رغم أن وجود عدد كبير من الكوازارات الخافتة عند \(z\) مرتفع قد يكون له مساهمة كبيرة أيضاً . أما إعادة تأين HeII فقد اكتملت لاحقاً عند \(z\sim2.8\) ، ويُعتقد أن الإشعاع فوق البنفسجي القاسي من الكوازارات هو المحرك الرئيسي لها .

تعد نماذج الـ UVB جزءاً أساسياً من دراسة تشكل المجرات عبر المحاكاة الكونية. فالقيم الجدولية لمعدلات التأين والتسخين الضوئي للهيدروجين والهيليوم المعتمدة على الانزياح الأحمر هي مدخل مباشر للمعادلات التي تحكم تبريد وتسخين الغاز. كان نموذج من أوائل نماذج الـ UVB التي تم دمجها في المحاكاة الكونية . وعلى مر السنين، قام هؤلاء المؤلفون بتحديث نموذجهم الأصلي ، كما اقترحت مجموعات أخرى بدائل . ولا تزال معظم المحاكاة الكونية الحديثة لتشكل المجرات تستخدم إما نسخاً من نموذج Haardt & Madau للـ UVB أو .

يتم حالياً إضافة نموذج الـ UVB الحديث جداً لـ إلى النسخة الأحدث (17.01) من كود التخليق الطيفي CLOUDY ، وهو مبني على بيانات رصدية حديثة حول الانبعاثية من الكوازارات من النوع الأول والمجرات، وتوزيع HI في الـ IGM، ومتوسط كسور الهروب للفوتونات المؤينة من المجرات. كما أظهر كيف يقارن النموذجان الأكثر استخداماً في المحاكاة، HM12 وFG09، مع بعضهما البعض ومع البيانات الحديثة التي استخدموها لتقييد نموذجهم. فعلى سبيل المثال، من حيث معدلات التأين الضوئي، ينتج FG09 معدلات HI أقل من HM12 بين \(z\sim0.5\) و\(z\sim5.8\)، ومعدلات HeII أقل بكثير تحت \(z\sim3.2\). أما معدلات HI وHeII في FG09 فهي أعلى من تلك في HM12 عند انزياحات حمراء \(\gtrsim 6\) و\(\gtrsim 3.5\) على التوالي، حيث توجد قيود رصدية قليلة . وتخلص النماذج الحديثة للـ UVB إلى أن HM12 يقلل من معدل التأين الضوئي لـ HI عند \(z=0\) بعامل يقارب \(\sim2\). وعند الانزياحات الحمراء المنخفضة (\(z<6\)) حيث توجد قيود رصدية أقوى، يكون توزيع الطاقة الطيفية للـ UVB في نموذج HM12 أكبر من FG09 عند معظم الأطوال الموجية ذات الصلة. وتؤثر النماذج المفترضة للـ UVB بشكل خاص على تشكل المجرات الأقل كتلة، حيث يمكن لخلفية فوق بنفسجية قوية أن تكبح تشكل النجوم في هذه الأنظمة منخفضة الكتلة . كما أنه، وبسبب ضعف القيود الرصدية عند \(z>6\)، يمكن أن تختلف نماذج الـ UVB بشكل كبير عند الانزياحات الحمراء العالية، وبالتالي تغير التنبؤات للطرف المنخفض من دالة اللمعان عند \(z\) مرتفع .

في الواقع، إعادة التأين ليست عملية متجانسة مكانياً، وعلى مقاييس المجرات يمكن أن تهيمن المصادر الإشعاعية المحلية غير المتجانسة مثل النجوم والثقوب السوداء والغاز الساخن على توزيع الفوتونات عالية الطاقة. ومن المؤكد أن إعادة التأين الرقعي وحقل الإشعاع المجري غير المتجانس القوي سيؤثران على عملية تشكل المجرات. كان أول من درس تأثير المصادر الإشعاعية المحلية على تشكل مجرة بكتلة درب التبانة في محاكاة كونية. استلهم هؤلاء المؤلفون من النماذج التحليلية لـ و لتطوير تقريب بصري رقيق يأخذ في الاعتبار تأثيرات الإشعاع المؤين من مناطق تشكل النجوم ونجوم ما بعد الفرع العملاق غير المتماثل (AGB) على الحالة الحرارية والتأيونية للغاز. إن تطبيق حقل الإشعاع في كود N-body SPH القديم gasoline هو تقريب لا يزيد بشكل كبير من الوقت الحسابي، بحيث يمكن لمحاكاة التكبير للمجرات أن تتطور حتى \(z=0\). وهذا ليس هو الحال مع الأكواد الهيدروديناميكية التي تحل فعلياً معادلة النقل الإشعاعي أثناء التشغيل . ويعني التقريب البصري الرقيق أن الحقل الإشعاعي عند كل موضع في مجال المحاكاة يتناسب عكسياً مع مربع المسافة إلى المصدر، ويتم احتساب جميع تأثيرات الامتصاص من خلال كسور هروب تعتمد على المصدر.

استخدم حقيقة أن معدل تشكل النجوم (SFR) يرتبط رصدياً بتدفق الأشعة السينية الناعمة ليبين كيف يتغير منحنى تبريد الغاز وضمنياً زمن التبريد كدالة لـ SFR لمجموعة من كتل الهالات الفلكية. كما أظهر كيف تختلف منحنيات التبريد المعتمدة على SFR عن تلك المحسوبة عندما يكون مصدر التأين الضوئي الوحيد هو الـ UVB. ونظراً لأن الأشعة السينية الناعمة قادرة على تأيين أنواع مختلفة من المعادن، يمكن أن يؤدي تدفق كافٍ منها إلى زيادة زمن تبريد الغاز بشكل كبير، وبالتالي تعمل كآلية تغذية راجعة استباقية؛ حيث لا يتم طرد الغاز من المجرة كما في التغذية الراجعة الانفجارية المرتبطة بانفجارات المستعرات العظمى ، بل يُمنع من التبريد وبالتالي من تشكيل النجوم. واقترح وصف الحقل الإشعاعي من النجوم ونوى المجرات النشطة (AGN) على مقاييس المجرات من خلال شكل دالي عام يعتمد فقط على عدد قليل من المعاملات. كما أظهر هؤلاء المؤلفون أن تأثيرات مثل هذه الحقول التأيونية على دوال التسخين والتبريد يمكن وصفها كدوال لعدد قليل من أنواع المعادن المهمة فقط. وقد تم تحسين تطبيق الحقل الإشعاعي الأصلي لـ لاحقاً بواسطة لكود arepo ليشمل انبعاث بريمسسترالونغ من الغاز الهالوي الساخن، وتم اختباره على محاكاة معدة مسبقاً لمجموعات مجرية.

يستخدم طريقتين لدراسة تأثيرات التغذية الراجعة الإشعاعية في المجرات من الأقزام الخافتة جداً إلى مجرات شبيهة بدرب التبانة: طريقة تعتمد على الأشعة وطريقة تعتمد على اللحظات. تفترض الطريقة المعتمدة على الأشعة أن جميع تأثيرات الامتصاص تحدث بالقرب من مصادر الإشعاع وأزمنة انتقال الضوء مهملة، وبالتالي فهي تمثل تقريباً بصرياً رقيقاً للنقل الإشعاعي، كما هو الحال في تطبيق . أما طريقة اللحظات لـ فتهدف إلى التقاط النظام البصري السميك وهي محافظة على الفوتونات بحكم البناء. ومع ذلك، فهي تتطلب فرضاً صارماً لسرعة الضوء المحدودة، مما يزيد من التكلفة الحسابية، ولا تتقارب إلى الحل الصحيح لمعادلة النقل الإشعاعي في الحالة البصرية الرقيقة.

حالياً، هناك عملان فقط، و، درسا تأثيرات الحقل الإشعاعي المحلي على محاكاة تشكل وتطور المجرات الكونية، على عينة مجمعة من سبع مجرات تتراوح من الأقزام إلى مجرات L\(^{\rm *}\). وجد انخفاضاً كبيراً في الكتلة النجمية وأقصى سرعة دائرية عند \(z=0\) لمجرة شبيهة بدرب التبانة عند أخذ الحقل الإشعاعي المحلي في الاعتبار. بينما توصل إلى نتيجة معاكسة من مجرتي L\(^{\rm *}\) المحاكاتين: لا تغيير في الكتلة النجمية أو أقصى سرعة دائرية، لكنهم وجدوا تأثيرات أكثر وضوحاً في المجرات القزمة الأربع المحاكات. ونظراً لقلة هذه الدراسات، نستكشف هنا تأثيرات التأين الضوئي والتسخين الضوئي المحلي الناتج عن النجوم والغاز الساخن، وتأثيرات تغيير نموذج الـ UVB على ثلاث مجرات تم محاكاتها ضمن مشروع التحقيق العددي لمئة جسم فلكي . ولهذا الغرض، قمنا بتطبيق تقريب بصري رقيق لـ في كود N-body SPH gasoline2 .

ينظم هذا البحث كما يلي. يصف القسم 2 كيفية معالجة تسخين وتبريد الغاز في الكود، بينما يعرض القسم 3 تطبيق مصادر الحقل الإشعاعي المحلي في بنية الجاذبية لكود gasoline2. ويعطي القسم 4 لمحة موجزة عن المجرات الثلاث من NIHAO التي أعيدت محاكاتها باستخدام نموذج FG09 للـ UVB مع وبدون مساهمة إضافية من الحقل الإشعاعي المحلي. وتعرض النتائج في القسم 5، مقسمة إلى: مناقشة حول الفروقات في تواريخ التشكل، وأخرى حول خصائص المجرات عند \(z=0\). ويقدم الملخص والمناقشة في القسم 6.