latex
مُلَخَّص
استناداً إلى Kormendy & Kennicutt (2004, ARA&A, 42, 603)، نستعرض التطور الداخلي لأقراص المجرات على امتداد الزمن. إحدى النتائج الرئيسية هي نمو النتوءات الزائفة التي غالباً ما يُخطئ في تمييزها عن النتوءات الحقيقية الناتجة عن الاندماجات. يمكن التعرف على العديد من هذه النتوءات الزائفة كهياكل قرصية باردة وسريعة الدوران. تمتلك النتوءات الحقيقية دوال سطوع Sérsic بمؤشر \(n\) أكبر من 2، بينما معظم النتوءات الزائفة يتميّز مؤشرها \(n\) بأنه أقل من 2. يزيد التمييز بين النتوءات الحقيقية والزائفة من حدة مشكلة تكوين المجرات في إطار نظرية المادة المظلمة الباردة: كيف يمكن للنمو الهرمي أن ينتج هذا العدد الكبير من المجرات القرصية النقية بلا أثر لانتفاخات اندمجت؟ على سبيل المثال، المجرات من الفئة Scd مثل M101 وNGC 6946 تدور بسرعات تقارب \(V_{\rm circ}\sim200\) كم/ث، بينما تجمعاتها النجمية المركزية تشتت سرعات يتراوح بين 25 و40 كم/ث. ضمن نطاق 8 ميغابارسك منا، 11 من 19 مجرة ذات سرعة دوران تزيد عن 150 كم/ث لا تظهر دليلًا على وجود كتلة كلاسيكية، وثمة مجرة واحدة قد تحتوي على كتلة كلاسيكية وزائفة معاً، و7 مجرات إما إهليلجية أو تحتوي على كتلة كلاسيكية واضحة. لذا، من الصعب فهم تكوين هذه المجرات دون انتفاخ عبر ذيل هادئ من تاريخ الاندماجات.
الموضوع الثاني هو التطور العلماني البيئي. نؤكد أن المجرات الكروية تظهر ارتباطات في المستوى الأساسي تكاد تكون عمودية على تلك الخاصة بالنتوءات والمجرات الإهليلجية. المجرات الكروية ليست إهليلجيات قزمة؛ بل معاملاتُها الهيكلية تشبه معاملات المجرات المتأخرة. نقترح أن المجرات الكروية نشأت من مجرات متأخرة تحولت بفعل عمليات داخلية مثل إخراج الغاز المدفوع بالمستعرات العظمى وعمليات بيئية كالتضييق العلماني والتجريد بضغط الرياح.
باستثناء المجرات الكروية، تبقى ارتباطات المستوى الأساسي للمجرات الإهليلجية والنتوءات ضيقة. لدى النتوءات الزائفة اتساع أكبر في هذه الارتباطات وهي أكبر حجماً وأقل كثافة. تتلاشى بأن تصبح رقيقة، وليست مضغوطة كما في النوى النجمية. يبدو واضحاً أن الأصول الفيزيائية للنتوءات الزائفة والنوى المركزية مختلفة.
التطور العلماني الداخلي والبيئي
يحدث التطور العلماني البطيء لأقراص المجرات عندما تعيد الأشكال غير المحورية، مثل الأشرطة والهياكل الحلزونية، توزيع الطاقة والزخم الزاوي وتعيد ترتيب بنية القرص. ويمكن أن يكون التطور المدفوع بيئياً علمانياً أيضاً (على سبيل المثال، التضييق)، على الرغم أن العمليات المعروفة عادةً هي الاندماجات السريعة (mergers). نركز هنا على إحدى نتائج التطور العلماني البيئي في تحويل الأقزام المتأخرة إلى "كرويات" تشبه المورفولوجيا الإهليلجية ولكن بمعاملات هيكلية مختلفة تشير إلى فيزياء تكوين مغايرة.
التطور العلماني الداخلي ونمو النتوءات الزائفة
دُرِست جوانب التطور العلماني الداخلي طويلاً في مجتمعات متخصصة (انظر Kormendy 1982 لمراجعة مبكرة). قدم Kormendy & Kennicutt (2004) توليفة لهذه المحاور البحثية، رصدية 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، نركز على الملاحظات الجديدة لخصائص النتوءات الزائفة.
بغض النظر عن المحرك، يؤدي التطور الداخلي إلى عواقب مماثلة: كحال جميع الأنظمة ذاتية الجاذبية، تميل أقراص المجرات إلى الانتشار—تتمدّد الأطراف الخارجية وتنكمش الأطراف الداخلية (Tremaine 1989). وهذا جوهري لتطور القرص مثل انهيار النواة للعناقيد الكروية، وكذلك إنتاج الكواكب الساخنة والحمراء في الأنظمة الكوكبية (Kormendy & Fisher 2005; Kormendy 2008). في أقراص المجرات، يسهم تساقط الغاز وتكوين النجوم في بناء مكونات مركزية كثيفة يُظن أنها نوى اندمجت، لكنها في الواقع نتاج تطور علماني. تصنف هذه النتوءات الزائفة وفق ما يقود التطور، فبعضها ينشأ من الغاز القرصي ويكون قرصي 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 القرصية السريعة وقد تكون امتداداً لها. ويشمل مفهوم النتوءات الزائفة كذلك حلقات تكوين النجوم النووية والتركيب الحلزوني. ولذا يجدر بنا استخدام مصطلح موحد—"النتوءات الزائفة"—لجميع المنتجات المركزية عالية الكثافة الناتجة عن تطور القرص العلماني.
تناقش KK04 معايير التعرف على النتوءات الزائفة؛ وقد رُصدت النماذج القرصية النقية أولاً عبر دورانها السريع (الشكل 2). تمتلك هذه الأقراص قيماً عالية لـ\(V_{\rm max}/\sigma\) وتظهر فوق الخط البيضاوي عند ميلها. وقد بيّنت الملاحظات الحديثة في الشكل 2 أمثلة على النتوءات الزائفة القرصية القوية (مثل NGC 4736، NGC 3945) والمعتدلة (مثل NGC 2950 التي هي أيضاً شريط نووي).
التطور العلماني وتكوين النتوءات الكروية
لوحظ تطور سريع في النتوءات الكروية (انظر KK04). ففي كثير من المجرات يكون "النتوء" في مستوى القرص نفسه ويظهر بوضوح البنية الحلزونية. كلا هذين السمتين خاصتان بالأقراص ذات الكثافة العالية—فالنتوءات الكلاسيكية ديناميكية حرارية ولا تستضيف بنية حلزونية دقيقة. وتظهر هذه الميّزات بوضوح في مسوحات تلسكوب هابل الفضائي لمراكز المجرات 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 تخفيها معاملات السطوع. تملك النتوءات ملفات سطوع حادة، ولذلك يقلل ضوء النتوء التباين الحلزوني بسرعة عند الأنصاف الصغيرة. ومع ذلك، تظهر البنية الحلزونية مشاركةً للنتوء الزائف بأكمله تقريباً.
يفسر مؤلفو مسوحات التصوير النتوءات القرصية كتجسيد للتطور العلماني. لاحظ Courteau، de Jong، وBroeils (1996) "استمرار البنية الحلزونية في المناطق المركزية" واعتبروا ذلك "نتاجاً للتطور الديناميكي العلماني وتدفق الغاز عبر نقل الزخم الزاوي واللزوجة". وخلص Carollo وآخرون (2001) إلى أن "تكوين النتوء من النوع الأسي يجري في الكون المحلي وأنه نتيجة متسقة للتطور العلماني داخل الأقراص".
بعد إثبات المفهوم The “proof of concept”، تركز الدراسات حالياً على تكوين النجوم في هذه النتوءات (راجع Fisher وDrory 2008b) وعلى الإحصائيات الخاصة بالنتوءات الزائفة. في القسم 4، نقارن ارتباطات معاملات المستوى الأساسي بين النتوءات الزائفة، والنتوءات الكلاسيكية، والمجرات الإهليلجية. لكن أولاً، نحتاج إلى تحديد مفهوم المجرة الإهليلجية وهذا ما يفتح الباب للموضوع الثاني عن التطور العلماني البيئي وتكوين المجرات الكروية (القسم 3).
التطور العلماني البيئي: أصل المجرات الكروية
=15000 =15000
يعرض الشكل 5 إسقاطات المستوى الأساسي (دورجفسكي وديفيس 1987; فابر وآخرون 1987; دورجفسكي وآخرون 1988) ومؤشر سیرسیک مقابل القدر المطلق الكلي لمجموعات نجمية مختلفة (مقتبس من Kormendy et al. 2008: KFCB).
لتفسير هذا الشكل، هيكل الفضاء الضوئي الدقيق لكل المجرات الإهليلجية والكروية المختارة في عنقود العذراء ضروري. فقد مكنت الصور المركبة من هابل والمراصد الأرضية عبر نطاقات شعاعية واسعة من الحصول على معاملات سیرسیک دقيقة. ويبرز التشتت المنخفض في ارتباطات المستوى الأساسي في اللوحة العلوية، مُظهِراً بوضوح العرض من الجانب. يؤكد الشكل 5 نتائج Kormendy (1985، 1987)، Binggeli & Cameron (1991)، وBender, Burstein, & Faber (1992) على أن المجرات الإهليلجية والكروية تتبع ارتباطات معاملات مختلفة. وقد انتقد هذا الاستنتاج Jerjen & Binggeli (1997)، Graham & Guzmán (2003)، Janz & Lisker (2007)، وFerrarese et al. (2006) بحجة أن العلاقة بين \(n\) و\(M_V\) مستمرة. نتفق مع ملاحظة الاستمرارية، ولكن ذلك لا ينفي الاختلاف في ارتباطات المستوى الأساسي (اللوحات العلوية والشكل 6)؛ فالمجرات الإهليلجية منخفضة السطوع تظهر كثافة متزايدة تدريجياً، في حين أن المجرات الكروية عند السطوع المنخفض تظهر كثافة متناقصة تدريجياً. المجرات الكروية ليست إبقاء إهليلجية منخفضة السطوع، بل أظهر Kormendy (1985، 1987) أنها تقترن أكثر مع المجرات الحلزونية القزمة وغير المنتظمة. من المؤكد أن المجرات الإهليلجية والكروية خضعت لمسارات تشكل مغايرة. ونرى أن الإهليلجيات تشكلت عبر اندماجات رئيسية، بينما تشير الأدلة في KFCB إلى أن الكرويات نشأت من مجرات متأخرة أُعيدت تشكيلها عبر عمليات داخلية مثل طرد الغاز المدفوع بالمستعرات العظمى (Dekel & Silk 1986) وعمليات بيئية كالتضييق العلماني (Moore et al. 1996، 1998) وتجريد الغاز بضغط الرياح (Chung et al. 2008).
الارتباطات المستوية الأساسية للنتوءات والنتوءات الزائفة
تقارن الأشكال (5) و(6) معاملات المستوى الأساسي للمجرات الإهليلجية والنتوءات الكلاسيكية والزائفة. معاملات سیرسیک للنتوءات الزائفة أقل دقة من تلك الخاصة بالإهليلجيات لأن استخلاصها يتطلب فصل مساهمات النتوء والقرص، وهي مترابطة بشدة. ومع ذلك، تظهر الأشكال (5) و(6) أن النتوءات الكلاسيكية تتوافق عملياً مع المجرات الإهليلجية، متسقة مع تعريفنا لها. ويُلاحظ أن عدداً من النتوءات الزائفة تقع قريباً منها، مما يفسر خلطها بالنتوءات الحقيقية. ولتمييزها، يجب تجاوز مجرد معاملات المستوى الأساسي والنظر في خصائص مثل الاستطالة و\(V/\sigma\). رغم ذلك، تُظهر الأشكال أن النتوءات الزائفة تمتاز بتشتت أعلى ومؤشرات سیرسیک أصغر، متسقة 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 حالياً على التنبؤ بقيم \(n\) من أوليات التكوين.
يبين الشكل (6) أن النتوءات الزائفة تتلاشى عبر انخفاض الكثافة، وليس عبر الانضغاط كما في تجمعات النجوم النووية (الدوائر المملوءة). وهذا يعزز فكرة اختلاف الأصول الفيزيائية لهاتين المجموعتين.
كيف يمكن للتجمع الهرمي أن ينتج العديد من المجرات بدون انتفاخ؟
يُعد التجمع الهرمي في إطار مادة مظلمة باردة (وايت ورايس 1978) نظريةً ناجحة في تكوين البنية الضخمة، لكن الصراع انتقل إلى فيزياء الباريونات. المشكلة الأكثر حرجاً، التي أكدها المراقبون (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 يتشكل هذا العدد الكبير من الأقراص النظيفة بلا علامات انتفاخ اندمجت؟ وتزداد حدة المشكلة عندما نعلم أن كثيراً مما ظنناه انتفاخات صغيرة هي في الواقع نتاج تطور علماني. لا توجد حالياً بين المجرات من الفئة Sc أو أبعد أي انتفاخ كلاسيكي (KK04). لذا ليس في استطاعتنا الاعتماد على احتمال نادرة الأقراص دون انتفاخ كذيل توزيع تاريخ الاندماجات.
يركز هذا القسم على أمثلة جديدة وإحصاءات محسنة للأقراص الخالية من الانتفاخ.
الأقراص الخالية من الانتفاخ الأكثر تحدياً لتصورنا 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 الدقة (\(\sigma_{\rm instr}\simeq8\) كم/ث) لتجمعات النجوم النووية في M101 وNGC 6946. M101 هي مجرة من الفئة Scd بسرعة دوران \(V_{\rm circ}=210\pm15\) كم/ث (Bosma et al. 1981)، لكن تجمعها المركزي يشتت بسرعة \(\sigma=25\pm7\) كم/ث. NGC 6946 مماثلة وترتفع فيها السرعة إلى \(\sigma=38\pm3\) كم/ث (Tacconi & Young 1986; Sofue 1996). والمجرة IC 342 أيضاً تشبهها بسرعة دوران \(192\pm5\) كم/ث (Rogstad, Shostak, & Rots 1973; Sofue 1996) وتشتت \(\sigma=33\pm3\) كم/ث (Böker et al. 1999؛ \(\sigma_{\rm instr}=5.5\) كم/ث). تظهر الثلاث مجرات قمماً خفيفة في السطوع المركزي في أطياف \(JHK\) (Jarrett et al. 2003) ومنحنيات دوران مركزيّة في CO (Sofue 1996)، لكن التشتت الصغير \(\sigma\ll V\) يثبت أنها نتوءات زائفة. فكيف نمت هذه الهالات الكبيرة دون اندماجات رئيسية؟
هل يمكن اعتبار الأقراص دون انتفاخ نادرةً بما يكفي لتكون ذيلاً هادئاً في تاريخ الاندماج؟ نرى أن الجواب هو "لا". بدءاً من المجموعة المحلية، لا تُعرف مجرة غير درب التبانة تصنف انتفاخها بشكل واضح. هيكل الصندوق في درب التبانة يشير إلى انتفاخ زائف، وتشتت السرعة المنخفض يندمج بسلاسة مع القرص (Lewis & Freeman 1989). والملف المركزي \(\sigma\) المستنتج من Tremaine et al. (2002) يوحي بانتفاخ زائف. ولا توجد دلائل فوتوغرافية أو ديناميكية على انتفاخ كلاسيكي. وتضم المجموعة المحلية مجرة إهليلجية واحدة (M32) وانتفاخاً كلاسيكياً واحداً (M31)، أي انتفاخ واحد فقط بين أكبر ثلاث مجرات.
خارج المجموعة المحلية، أقصى مسافة نجمّدها هنا هي مجرة M101 بمعامل مسافة قياسي \(m-M=29.34\pm0.10\) (أي \(7.4\pm0.3\) ميغابارسك؛ Ferrarese et al. 2000) وسرعة دوران \(210\pm15\) كم/ث. وبنهج متحفظ، نبحث عن المجرات ذات \(V_{\rm circ}>150\) كم/ث أو \(\sigma_{\rm مركزي}>106\) كم/ث مع \(m-M<29.5\). وجدنا في HyperLeda وTonry et al. (2001) 19 مجرة مطابقة. وتشكل M101 وNGC 6946 وIC 342 ثلاثة منها. من البقية، 8 مجرات يغلب عليها انتفاخ زائف بلا أثر كلاسيكي، وهناك NGC 2787 ذات انتفاخ زائف مهيمن مع احتمال لمكون كلاسيكي صغير. ثلاث مجرات هي إهليلجيات (Maffei 1، NGC 3077 على الأرجح، NGC 5128)، وثلاث لها انتفاخات كلاسيكية (M31، M81، NGC 4258). و
على النقيض، في عنقود العذراء يتركز نحو 2/3 من الكتلة النجمية في الإهليلجيات، ويضاف إليها بعض الكتل في الانتفاخات الكلاسيكية (KFCB). لذا فإن الإحصاءات تختلف اختلافاً كبيراً مع البيئة.
نزيد صياغة السؤال: ما الذي يميز تكوين المجرات في بيئات منخفضة الكثافة—كالمجموعة المحلية—ما يسمح لأكثر من نصف المجرات ذات \(V_{\rm circ}>150\) كم/ث بالتشكل خالية 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.