التطوّر العِلماني في مجرّات القرص: نموّ النتوءات الزائفة وتكوين المجرّات الكُرَوَيْدية

John Kormendy وَ David B. Fisher

مُلَخَّص

استناداً إلى Kormendy & Kennicutt (2004, ARA&A, 42, 603)، نستعرض التطوّر العِلماني الداخلي لأقراص المجرّات على امتداد الزمن الكوني. إحدى النتائج الرئيسة هي نموّ النتوءات الزائفة التي غالباً ما تُلتَبَس بالنتوءات الكلاسيكية الناتجة عن الاندماجات. يمكن التعرّف على العديد من هذه النتوءات الزائفة كهياكل قرصيّة باردة سريعةِ الدوران. تمتلك النتوءات الكلاسيكية ملفات سطوع تتبع قانون Sérsic بمؤشّر \(n\) أكبر من 2، بينما معظم النتوءات الزائفة يتميّز مؤشّرها \(n\) بأنّه أقل من 2. يزيد التمييز بين النتوءات الكلاسيكية والزائفة من حدّة مشكلة تكوين المجرّات في إطار نظرية المادة المظلمة الباردة: كيف يمكن للنموّ الهرمي أن يُنتِج هذا العدد الكبير من المجرّات القرصيّة النقيّة بلا أثر لانتفاخات ناتجة عن اندماج؟ على سبيل المثال، المجرّات من الفئة Scd مثل M101 وNGC 6946 تدور بسرعات تقارب \(V_{\rm circ}\sim200\) كم/ث، بينما تُظهِر تجمّعاتها النجمية المركزيّة تشتّت سرعات يتراوح بين 25 و40 كم/ث. ضمن نطاق 8 ميغابارسك منّا، 11 من 19 مجرّة ذات سرعة دوران تزيد عن 150 كم/ث لا تُظهِر دليلاً على وجود انتفاخ كلاسيكي، وثمّة مجرّة واحدة قد تحتوي على كلاسيكي وزائف معاً، و7 مجرّات إمّا إهليلجية أو تحتوي على انتفاخ كلاسيكي واضح. لذا، من الصعب فهم تكوين هذه المجرّات بلا انتفاخ عبر ذيلٍ هادئ من تاريخ الاندماجات.

الموضوع الثاني هو التطوّر العِلماني البيئي. نؤكّد أن المجرّات الكُرَوَيْدية تُظهِر ارتباطات في المستوى الأساسي تكاد تكون عمودية على تلك الخاصّة بالنتوءات والمجرّات الإهليلجية. المجرّات الكُرَوَيْدية ليست إهليلجياتٍ قزمة؛ بل معاملاتُها البنيوية تشبه معاملات المجرّات المتأخّرة. نقترح أن المجرّات الكُرَوَيْدية نشأت من مجرّات متأخّرة تحوّلت بفعل عمليات داخلية مثل إخراج الغاز المدفوع بالمستعرات العظمى وعمليات بيئية كـ«التحرّش المجرّي» والتجريد بضغط الكبح.

باستثناء المجرّات الكُرَوَيْدية، تبقى ارتباطات المستوى الأساسي للمجرّات الإهليلجية والنتوءات ضيّقة. لدى النتوءات الزائفة اتساع أكبر في هذه الارتباطات وهي أكبر حجماً وأقلّ كثافة سطحية. تخفت عبر أن تصبح أكثر انتشاراً، وليست مُنضغِطة كما في النوى النجمية. يبدو واضحاً أن الأصول الفيزيائية للنتوءات الزائفة والنوى المركزيّة مختلفة.

التطوّر العِلماني الداخلي والبيئي

يحدث التطوّر العِلماني البطيء لأقراص المجرّات عندما تعيد الأشكال غير المحورية، مثل الأشرطة والبُنى الحلزونية، توزيع الطاقة والزخم الزاوي وتُعيد ترتيب بنية القرص. ويمكن أن يكون التطوّر المدفوع بيئياً علمانياً أيضاً (على سبيل المثال، «التحرّش المجرّي»)، على الرغم من أنّ العمليات المعروفة عادةً هي الاندماجات العنيفة (mergers). نركّز هنا على إحدى نتائج التطوّر العِلماني البيئي في تحويل الأقزام المتأخّرة إلى مجرّات «كُرَوَيْدية» تشبه في مظهرها الإهليلجيات ولكن بمعاملات بنيوية مختلفة تشير إلى فيزياء تكوين مغايرة.

التطوّر العِلماني الداخلي ونموّ النتوءات الزائفة

دُرِست جوانب التطوّر العِلماني الداخلي طويلاً في مجتمعات متخصّصة (انظر Kormendy 1982 لمراجعة مبكرة). قدّم Kormendy & Kennicutt (2004) توليفةً لهذه المحاور البحثية، رصديّةً ونظرية. توجد مراجعات أخرى في (Sellwood & Wilkinson 1993)، (Kormendy 1993)، (Buta & Combes 1996)، (Kormendy & Cornell 2004)، (Kormendy & Fisher 2005)، (Athanassoula 2007)، (Peletier 2008)، و(Combes 2007، 2008). وفي هذه المساحة المحدودة، نركّز على الملاحظات الجديدة لخصائص النتوءات الزائفة.

بغضّ النظر عن المُحرِّك، يؤدّي التطوّر الداخلي إلى عواقب متشابهة: كحال جميع الأنظمة ذاتية الجاذبية، تميل أقراص المجرّات إلى الانتشار—تتمدد الأطراف الخارجية وتنكمش المناطق الداخلية (Tremaine 1989). وهذا جوهري لتطوّر القرص مثل انهيار النواة في العناقيد الكروية، وكذلك إنتاج الكواكب الساخنة والقريبة في الأنظمة الكوكبية (Kormendy & Fisher 2005; Kormendy 2008). في أقراص المجرّات، يُسهِم تساقط الغاز وتكوين النجوم في بناء مكوّنات مركزية كثيفة يُظَنّ أنها انتفاخات كلاسيكية ناتجة عن اندماجات، لكنها في الواقع نتاج تطوّر عِلماني. تُصنّف هذه النتوءات الزائفة وفق ما يقود التطوّر؛ فبعضها ينشأ من الغاز القرصي ويكون قرصيَّ الطابع (Kormendy 1993; KK04; Fisher & Drory 2008a). وهناك النتوءات ذات الشكل الصندوقي المرتبطة بالأشرطة المنظورة (Combes & Sanders 1981; Combes et al. 1990; Pfenniger & Friedli 1991; Raha et al. 1991; Kuijken & Merrifield 1995; Merrifield & Kuijken 1999; Bureau & Freeman 1999; Bureau, Freeman, & Athanassoula 1999; Athanassoula 2005، 2007). وتتصل الأشرطة النووية بالنتوءات القرصيّة السريعة وقد تكون امتداداً لها. ويشمل مفهوم النتوءات الزائفة كذلك حلقات تكوين النجوم النووية والبنية الحلزونية. لذا يجدر بنا استخدام مصطلح موحَّد—«النتوءات الزائفة»—لجميع المنتجات المركزية عالية الكثافة الناتجة عن تطوّر القرص العِلماني.

تناقش KK04 معايير التعرّف على النتوءات الزائفة؛ وقد رُصِدت النماذج القرصيّة النقيّة أولاً عبر دورانها السريع (الشكل 2). تمتلك هذه الأقراص قيماً عالية لـ\(V_{\rm max}/\sigma\) وتظهر فوق خط الإهليلجيّات عند ميلها. وقد بيّنت الملاحظات الحديثة في الشكل 2 أمثلة على النتوءات الزائفة القرصيّة القوية (مثل NGC 4736، NGC 3945) والمعتدلة (مثل NGC 2950 التي هي أيضاً شريط نووي).

التطوّر العِلماني وتكوين النتوءات الزائفة

لوحِظ تقدّم سريع في فهم النتوءات الزائفة (انظر KK04). ففي كثير من المجرّات يكون «النتوء» في مستوى القرص نفسه ويُظهِر بوضوح بنية حلزونية. كلا هاتين السمتين خاصّتان بالأقراص ذات الكثافة العالية—فالنتوءات الكلاسيكية ديناميكياً «حارّة» ولا تستضيف بنية حلزونية دقيقة. وتظهر هذه الميّزات بوضوح في مسوحات تلسكوب هابل الفضائي لمراكز المجرّات الحلزونية (Carollo وآخرون 1997، 1998، 2001، 2002؛ Carollo 1999).

يمكن أن تتعايش النتوءات الكلاسيكية والزائفة معاً (KK04; Kormendy وآخرون 2006; Erwin 2007)، لكن الشكل المورفولوجي في الشكل 4 ليس نتيجة لوجود أقراص نووية ضمن النتوءات الكلاسيكية تُخفيها معاملات السطوع. تملك النتوءات ملفات سطوع حادّة، ولذلك يقلّل ضوء النتوء التباين الحلزوني بسرعة عند أنصافٍ صغيرة. ومع ذلك، تُظهِر البنية الحلزونية مشاركةً لجلّ النتوء الزائف تقريباً.

يفسّر مؤلفو مسوحات التصوير النتوءات القرصيّة كتجسيد للتطوّر العِلماني. لاحظ Courteau، de Jong، وBroeils (1996) «استمرار البنية الحلزونية في المناطق المركزية» واعتبروا ذلك «نتاجاً للتطوّر الديناميكي العِلماني وتدفّق الغاز عبر نقل الزخم الزاوي واللزوجة». وخلص Carollo وآخرون (2001) إلى أنّ «تكوين النتوء من النوع الأسي يجري في الكون المحلّي وأنّه نتيجة متّسقة للتطوّر العِلماني داخل الأقراص».

بعد «إثبات المفهوم»، تتركّز الدراسات حالياً على تكوين النجوم في هذه النتوءات (راجع Fisher وDrory 2008b) وعلى الإحصاءات الخاصّة بالنتوءات الزائفة. في القسم 4، نقارن ارتباطات معاملات المستوى الأساسي بين النتوءات الزائفة، والنتوءات الكلاسيكية، والمجرّات الإهليلجية. لكن أوّلاً، نحتاج إلى تحديد مفهوم «المجرّة الإهليلجية»، وهذا ما يفتح الباب للموضوع الثاني عن التطوّر العِلماني البيئي وتكوين المجرّات الكُرَوَيْدية (القسم 3).

التطوّر العِلماني البيئي: أصل المجرّات الكُرَوَيْدية

يعرض الشكل 5 إسقاطات المستوى الأساسي (Djorgovski & Davis 1987; Faber et al. 1987; Djorgovski et al. 1988) ومؤشّر سيرسيك مقابل القدر المطلق الكلّي لأصناف مكوّنات نجمية مختلفة (مقتبس من Kormendy et al. 2008: KFCB).

لتفسير هذا الشكل، كان الحصولُ على هيكل الفضاء الضوئي الدقيق لكلّ المجرّات الإهليلجية والكُرَوَيْدية المُختارة في عنقود العذراء ضرورياً. فقد مكّنت الصور المركّبة من هابل والمراصد الأرضية عبر نطاقات شعاعية واسعة من استخراج معاملات سيرسيك دقيقة. ويبرز التشتّت المنخفض في ارتباطات المستوى الأساسي في اللوحة العلوية، مُظهِراً بوضوح العرض من الجانب. يؤكّد الشكل 5 نتائج Kormendy (1985، 1987)، Binggeli & Cameron (1991)، وBender, Burstein, & Faber (1992) على أنّ المجرّات الإهليلجية والكُرَوَيْدية تتبع ارتباطات معاملات مختلفة. وقد انتُقِد هذا الاستنتاج من قِبل Jerjen & Binggeli (1997)، Graham & Guzmán (2003)، Janz & Lisker (2007)، وFerrarese et al. (2006) بحجّة أنّ العلاقة بين \(n\) و\(M_V\) مستمرّة. نتّفق مع ملاحظة الاستمرارية، ولكن ذلك لا ينفي الاختلاف في ارتباطات المستوى الأساسي (اللوحات العلوية والشكل 6)؛ فالمجرّات الإهليلجية منخفضة السطوع تُظهِر كثافة متزايدة تدريجياً، في حين أنّ المجرّات الكُرَوَيْدية عند السطوع المنخفض تُظهِر كثافةً متناقصة تدريجياً. المجرّات الكُرَوَيْدية ليست امتداداً بسيطاً لإهليلجيات منخفضة السطوع، بل أظهر Kormendy (1985، 1987) أنّها تقترن أكثر مع المجرّات الحلزونية القزمة وغير المنتظمة. من المؤكّد أنّ المجرّات الإهليلجية والكُرَوَيْدية خضعت لمسارات تشكّل مغايرة. ونرى أنّ الإهليلجيات تشكّلت عبر اندماجات رئيسة، بينما تشير الأدلة في KFCB إلى أنّ الكُرَوَيْديات نشأت من مجرّات متأخّرة أُعيد تشكيلها عبر عمليات داخلية مثل طرد الغاز المدفوع بالمستعرات العظمى (Dekel & Silk 1986) وعمليات بيئية كـ«التحرّش المجرّي» (Moore et al. 1996، 1998) والتجريد بضغط الكبح (Chung et al. 2008).

ارتباطات المستوى الأساسي للنتوءات والنتوءات الزائفة

تقارن الأشكال (5) و(6) معاملات المستوى الأساسي للمجرّات الإهليلجية والنتوءات الكلاسيكية والزائفة. معاملات سيرسيك للنتوءات الزائفة أقل دقّة من تلك الخاصّة بالإهليلجيات لأنّ استخلاصها يتطلّب فصل مساهمات النتوء والقرص، وهي مترابطة بشدّة. ومع ذلك، تُظهِر الأشكال (5) و(6) أنّ النتوءات الكلاسيكية تتوافق عمليّاً مع المجرّات الإهليلجية، بما ينسجم مع تعريفنا لها. ويُلاحَظ أن عدداً من النتوءات الزائفة يقع قريباً منها، ممّا يفسّر خلطها بالنتوءات الكلاسيكية. ولتمييزها، يجب تجاوز مجرّد معاملات المستوى الأساسي والنظر في خصائص مثل الاستطالة و\(V/\sigma\). رغم ذلك، تُظهِر الأشكال أنّ النتوءات الزائفة تمتاز بتشتّت أعلى ومؤشّرات سيرسيك أصغر، بما يتّسق مع (Courteau et al. 1996)، (MacArthur, Courteau, & Holtzman 2003)، و(Fisher & Drory 2007a) الذين وجدوا فصلاً نظيفاً بين النتوءات الكلاسيكية ذات \(n>2\) والنتوءات الزائفة غالباً ذات \(n<2\). وهذا التمييز يساعد على التصنيف رغم عدم قدرتنا حاليّاً على التنبّؤ بقيم \(n\) من أوليّات التكوين.

يبيّن الشكل (6) أنّ النتوءات الزائفة تخفت عبر انخفاض الكثافة، وليس عبر الانضغاط كما في تجمّعات النجوم النووية (الدوائر المملوءة). وهذا يعزّز فكرة اختلاف الأصول الفيزيائية لهاتين المجموعتين.

كيف يمكن للتجمّع الهرمي أن يُنتِج العديد من المجرّات من دون انتفاخ؟

يُعدّ التجمّع الهرمي في إطار المادة المظلمة الباردة (White & Rees 1978) نظريةً ناجحة في تكوين البنية الضخمة، لكن الصراع انتقل إلى فيزياء الباريونات. المشكلة الأكثر حدّةً، التي أكّدها الراصدون (Freeman 2000; KK04; Kormendy & Fisher 2005; Carollo et al. 2007; Kormendy 2008) والنمذجون (Steinmetz & Navarro 2002; Abadi et al. 2003)، هي: بالنظر إلى العنف الناتج عن الاندماجات، كيف يتشكّل هذا العدد الكبير من الأقراص النظيفة بلا علامات انتفاخ كلاسيكي؟ وتزداد حدّة المشكلة عندما نعلم أنّ كثيراً ممّا ظننّاه انتفاخات صغيرة هو في الواقع نتاج تطوّر عِلماني. لا توجد حاليّاً بين المجرّات من الفئة Sc أو أبعد انتفاخاتٌ كلاسيكية (KK04). لذا ليس في استطاعتنا الاعتماد على احتمال ندرة الأقراص دون انتفاخ كذيلٍ لتوزيع تاريخ الاندماجات.

يركّز هذا القسم على أمثلة جديدة وإحصاءات مُحسّنة للأقراص الخالية من الانتفاخ.

الأقراص الخالية من الانتفاخ الأكثر تحدّياً لتصوّرنا عن التكوين توجد داخل هالات مظلمة عالية الكتلة—أي تلك التي تصل فيها سرعات الدوران الدائري إلى \(V_{\rm circ}\sim200\) كم/ث. استخدم Kormendy et al. (2009) تلسكوب Hobby-Eberly للحصول على أطياف عالية الدقّة (\(\sigma_{\rm instr}\simeq8\) كم/ث) لتجمّعات النجوم النووية في M101 وNGC 6946. M101 هي مجرّة من الفئة Scd بسرعة دوران \(V_{\rm circ}=210\pm15\) كم/ث (Bosma et al. 1981)، لكن تجمّعها المركزي يشتّت بسرعة \(\sigma=25\pm7\) كم/ث. NGC 6946 مماثلة وترتفع فيها القيمة إلى \(\sigma=38\pm3\) كم/ث (Tacconi & Young 1986; Sofue 1996). والمجرّة IC 342 أيضاً تشبهها بسرعة دوران \(192\pm5\) كم/ث (Rogstad, Shostak, & Rots 1973; Sofue 1996) وتشتّت \(\sigma=33\pm3\) كم/ث (Böker et al. 1999؛ \(\sigma_{\rm instr}=5.5\) كم/ث). تُظهِر المجرّات الثلاث قِمَماً طَفيفة في السطوع المركزي في أطياف \(JHK\) (Jarrett et al. 2003) ومنحنيات دوران مركزيّة في CO (Sofue 1996)، لكن التشتّت الصغير \(\sigma\ll V\) يبيّن أنّها نتوءات زائفة. فكيف نمت هذه الهالات الكبيرة دون اندماجات رئيسة؟

هل يمكن اعتبار الأقراص من دون انتفاخ نادرةً بما يكفي لتكون ذيلاً هادئاً في تاريخ الاندماج؟ نرى أنّ الجواب هو «لا». في المجموعة المحليّة، لا تُعرَف سوى حالةٍ واحدة لانتفاخٍ كلاسيكي واضح هي في M31. أمّا درب التبّانة، فبنيته الصندوقية تشير إلى نتوء زائف، وتشتّت السرعة المنخفض يندمج بسلاسة مع القرص (Lewis & Freeman 1989). والمنحنى المركزي \(\sigma\) المُستنتج من Tremaine et al. (2002) يوحي بانتفاخ زائف. ولا توجد دلائل فوتوغرافية أو ديناميكية على انتفاخ كلاسيكي في درب التبّانة. وتضمّ المجموعة المحليّة مجرّة إهليلجية واحدة (M32) وانتفاخاً كلاسيكياً واحداً (M31)، أي انتفاخ واحد فقط بين أكبر ثلاث مجرّات.

خارج المجموعة المحليّة، أبعد مسافة نعتمدها هنا هي مجرّة M101 بمعامل مسافة معياري \(m-M=29.34\pm0.10\) (أي \(7.4\pm0.3\) ميغابارسك؛ Ferrarese et al. 2000) وسرعة دوران \(210\pm15\) كم/ث. وبنهجٍ مُتَحفِّظ، نبحث عن المجرّات ذات \(V_{\rm circ}>150\) كم/ث أو \(\sigma_{0}>106\) كم/ث مع \(m-M<29.5\). وجدنا في HyperLeda وTonry et al. (2001) 19 مجرّة مطابقة. وتشكل M101 وNGC 6946 وIC 342 ثلاثةً منها. من البقيّة، 8 مجرّات يغلب عليها نتوء زائف بلا أثرٍ كلاسيكي، وهناك NGC 2787 ذات نتوء زائف مهيمن مع احتمالٍ لمكوّن كلاسيكي صغير. ثلاث مجرّات هي إهليلجيات (Maffei 1، NGC 3077 على الأرجح، NGC 5128)، وثلاثٌ لها انتفاخات كلاسيكية (M31، M81، NGC 4258). وNGC 5195، رفيقة M51، تصنيفها غير مؤكّد لكن \(\sigma=157\) كم/ث، فنُدرِجها ضمن الانتفاخات الكلاسيكية. بذلك، ضمن 8 ميغابارسك، 11 من 19 مجرّة بـ\(V_{\rm circ}>150\) كم/ث خالية من انتفاخ كلاسيكي، ومجرّة واحدة قد تضمّ كلا النوعين، و7 إمّا إهليلجيات أو ذات انتفاخات كلاسيكية. أي أنّ أقلّ من نصف العيّنة الكبيرة مرّ باندماجات كبرى قابلة للرصد.

على النقيض، في عنقود العذراء يتركّز نحو 2/3 من الكتلة النجمية في الإهليلجيات، ويُضاف إليها بعض الكتل في الانتفاخات الكلاسيكية (KFCB). لذا فإنّ الإحصاءات تختلف اختلافاً كبيراً باختلاف البيئة.

نعيد صياغة السؤال: ما الذي يميّز تكوين المجرّات في بيئات منخفضة الكثافة—كالمجموعة المحليّة—مما يسمح لأكثر من نصف المجرّات ذات \(V_{\rm circ}>150\) كم/ث بأن تتشكّل خاليةً من اندماجات كبرى؟

نشكر Ralf Bender، Mark Cornell، Niv Drory وReynier Peletier لإتاحة نتائجهم قبل النشر. واعتمدنا في عملنا على قاعدة بيانات HyperLeda عبر http://leda.univ-lyon1.fr/search.html. كما نشكر National Science Foundation على المنحة AST-0607490 لدعم هذا البحث.