مُلخّص

نُقَدِّم نتائجَ رَصدِيّةً ونظريّةً حول الأَنْظِمَةِ النَّجْمِيَّةِ غيرِ المُحَلَّلة اعتمادًا على تقنيةِ تَقَلُّبات السُّطوع السَّطحيّ (SBF). تبيَّن أنّ مُقْدارات SBF مؤشِّرٌ قيّمٌ لخصائصِ السُّكّانِ النَّجْمِيّين، ومِقياسُ مَسافةٍ موثوق. إنّ مُقْدارات SBF وألوانَه وتدرُّجاتِه الشُّعاعية يمكن أن تُساعِد في تحديد الفِلِزِّيّة (المحتوى المعدني) وعُمر المُكوِّن النَّجميّ السائد في الأَنْظِمَةِ النَّجْمِيَّةِ البعيدة بدقّةٍ نِسبيّة، ولا سيّما إذا جُمِعَت مع مُؤشِّراتٍ ضوئية-طيفيّة أُخرى.

مُقَدّمة

تعتمد دراسةُ خصائصِ الأَنْظِمَةِ النَّجْمِيَّةِ البعيدةِ بالتفصيل على دقّة توصيف السُّكّانِ النَّجْمِيّين. فَرْزُ النجومِ فرديًّا هو، من حيثُ المبدأ، أفضلُ طريقةٍ لاستخراج المعلومات من نِظامٍ نجميّ؛ غير أنّ رَصْدَ النجومِ الفرديّة ممكنٌ عمليًّا في المجرّاتِ القريبة فقط، وغالبًا عند مُستويات لمعانٍ أعلى من السلسلةِ الرئيسيّة. هنا نُناقش تقنيةً أثبتت فاعليّتَها في فَكّ تشابُك الخصائص الفيزيائيّة والكيميائيّة للسُّكّانِ النَّجْمِيّين غيرِ المُحَلَّلين، وهي طريقةُ تَقَلُّبات السُّطوع السَّطحيّ (SBF). نُلخِّص الملامحَ الرئيسة لهذه التقنية؛ ولِوَصفٍ أكثرَ تفصيلًا لطريقة SBF يُرجى مراجعة مساهمتَي جيانلوكا رايموندو وجون ب. بليكسلي في هذا المُجلّد.

قُدِّمَت الطريقةُ أولَ مرّةٍ كمؤشّرِ مسافةٍ في المجرّاتِ الإهليلجيّة القريبة (ts88)، وطُبِّقت على العناقيدِ الكُروية المَجَرِّيّة على بُعْدِ بضعِ كيلوفرسخات، وعلى الإهليلجيّاتِ العُنقودية حتى \(\sim\,150\) ميغابارسك، وكذلك على كثيرٍ من المجرّاتِ العَدَسية والنُّتوءاتِ الحَلزونيّة والأقزامِ الكُروية على مسافاتٍ متوسّطة (tonry01, mieske06a, biscardi08). وبحسب التعريف، تمثِّل إشارةُ SBF نسبةَ اللحظةِ الثانية إلى اللحظةِ الأولى لدالّة اللَّمَعان (LF) للسُّكّانِ النَّجْمِيّين. وتأتي المساهمةُ الأبرز من النجومِ الساطعة التي تعمل كـ«مَنارات» على خَلفيّةٍ من النجومِ الأضعف لمعانًا، فتولِّد القِسمَ الأكبر من إشارةِ التقلُّب. كما أنّ القيمَ النِّسبيّة للمعانِ النجميّ تعتمد على النطاقِ الطَّيفيِّ المرصود؛ لذلك تختلف «المَنارات» عند الأطوالِ الموجيّة الأقصر (النجومُ الحارّة) عمّا هي عليه عند الأطوالِ الموجيّة الأَطول (النجومُ الباردة)، ويتبدّل المُساهِمون الرئيسيون في SBF بحسب المرشِّح. هذا يجعل مُقْداراتِ SBF وألوانَه خيارًا واعدًا لتتبُّع خصائص السُّكّانِ النَّجْمِيّين في الأَنْظِمَةِ غير المُحَلَّلة.

استنادًا إلى ذلك، أجرينا دراسةً موسَّعةً لـSBF ولمُؤشّرات التصويرِ الضوئي المرتبطة به، من منظورٍ نظريّ ورصديّ. نُلخِّص أدناه أهمَّ النتائجِ والآفاقِ المُستقبلية لهذه الدراسات.

SBF: نَهْجٌ نظريّ مُخْتَلِف

تَعتمد مُقْدارات SBF، كسائرِ مُؤشِّرات المسافة تقريبًا، على معايرةِ القَدْر المُطلق. وأشهرُ معايرةٍ لـSBF استُنبطت في (tonry01)؛ إذ استُخدمت عضويةُ العُنقود لاشتقاق «الميل» في علاقة المُعايرة، فيما اعتمد الثابتُ الصفريّ على 6 مجرّاتٍ ذاتِ مسافاتٍ مؤكَّدة. غير أنّ المعايراتِ التجريبية تستغرق وقتًا طويلًا وقد تتأثّر بانحياز الثابتِ الصفريّ. لذلك بدأنا، منذ عام 1997، حملةً لاشتقاق مُعايراتٍ نظريّة لـSBF في الأطوالِ الموجيّة البصريّة والقريبة من تحتِ الحمراء، باستخدام منهجيّات تركيبِ السُّكّانِ النَّجْمِيّين.

استفدنا من الخصائصِ المميِّزة لحزمة «تركيب السُّكّان النَّجْمِيّين» (SPoT) التي طوّرها فريقُ SPoT (brocato99,brocato00,raimondo02)، وبَنينا منهجيةً أصيلة لحساب مُقْدارات SBF من مُحاكاةِ السُّكّانِ النَّجْمِيّين البسيطة (SSP) (cantiello03,raimondo05). تستخدم الحزمة أحدثَ وأكثر المُدخلات الفيزيائية موثوقيّةً في تركيب السُّكّان. من المكوّنات المهمّة للنماذج: دالّة الكُتلة الأوّلية بحسب (scalo98) في نِطاق الكُتلة النجميّة \(0.1 \leq M/M_{\odot} \leq 10\)؛ ومسارات تطوّر النجوم من (pietrinferni04). كما يُمثَّل مورفولوجيا الفرع الأفقي تمثيلًا كاملًا مع مُراعاة آثار العُمر والتركيبِ الكيميائي وتشتّت الكُتل نتيجة العشوائيّة في فُقدان الكتلة على طول الفرعِ العِملاقِ الأحمر (brocato00)، ويُقدَّر مُعدّل فُقدان الكتلة وفق قانون (reimers75). أمّا مرحلةُ الفرعِ العِملاقِ الأسمى ذاتُ النبضات الحرارية (TP-AGB) فتُمثَّل بصِيَغٍ تحليليّة تبعًا لـ(wagenhuber98). وقد أعددنا نماذجَ بافتراض ثلاث مجموعاتٍ مختلفة من نماذج الأغلفةِ الجويّة النَّجميّة (انظر www.oa-teramo.inaf.it/spot لمزيدٍ من التفاصيل وتنزيل النماذج).

أثبتت نماذجُ SPoT دقّتَها عند مقارنتها بخصائصِ السُّكّانِ المُحلَّلين وغيرِ المُحلَّلين (مثل مخطّطات اللون-القدر (CMD)، والألوان المُتكاملة، إلخ)، وكانت النتائجُ مُرضيةً في جميع الحالات. ثم قارَنّا نماذجَ SBF ببياناتٍ بصريّة وقريبة من تحتِ الحمراء، فحصلنا على توافقٍ ممتازٍ مع البيانات، سواء لعناقيدٍ كُرويةٍ مَحليّة أو للمجرّاتِ الإهليلجيّة البعيدة (cantiello03,raimondo05).

وبناءً على تلك النتائج المُشجِّعة، درسنا بتفصيلٍ أكبر كيف يمكن لمُقْدارات SBF وألوانِه أن تُساعِد في فحص خصائصِ السُّكّانِ النَّجْمِيّين غيرِ المُحلَّلين.

قياسات SBF

أُنجز معظمُ العمل الرصدي على SBF بدافعِ تطبيقاته كميزانِ مسافة، ولم تُخصَّص جهودٌ واسعة لتأمين تغطيةٍ طيفيّةٍ متّسقة لمجرّةٍ واحدة تُنتِج مجموعةً مُتجانسة من قياسات SBF. باستخدام بيانات «أدوات التقدُّم المتقدّم» (ACS) المؤرشفة على متن هابل، استخرجنا الألوانَ البصريّة لـSBF لعَيِّنةٍ رَصدية من نحو 20 مجرّة. كانت نتائجُ الدراسة مُشجِّعة على صعيدين: أولًا، أظهرت المقارنةُ بين البيانات والنماذج توافقًا جيّدًا في الأطوالِ الموجيّة البصريّة مثل V وI. كما تبيّن أنّه عند الأطوالِ الموجيّة الأقصر مثل نطاق B يغدو أثرُ خصائصِ السُّكّانِ النَّجْمِيّين غيرَ مُهمَل، ويجب، على سبيل المثال، استخدامُ نماذجِ سُكّانٍ مركّبة بدلًا من النماذجِ البسيطة (cantiello07a). ثانيًا، استُخدمت المقارناتُ بنجاح لتقييد خصائصِ النجوم في المجرّات. وعلى أنّ الألوانَ البصريّة لـSBF ليست الخيارَ الأمثل وحدَها لتقييد العُمر \(t\) و[Fe/H] بدقّة، فقد أظهر التوافقُ الجيّد بين الخصائصِ المُستنتَجة من ألوانِ SBF وتلك الموثّقة بطرائق أُخرى في الأدبيّات، جدوى هذا النوع من التطبيقات.

علاوةً على ذلك، بيّنّا حديثًا أنّه يمكن قياسُ التدرّجاتِ الشُّعاعية لـSBF حتى مسافةٍ تقارب 30 ميغابارسك باستخدام الأدواتِ الرصديّة الراهنة، واستثمارُها كأداة تحليليةٍ مهمّة أُخرى (cantiello05). فمثلًا، باستخدام بيانات ACS لِـ7 مجرّاتٍ إهليلجيّة وجدنا أنّ التدرّجاتِ اللونية وقياسات SBF المرصودة يُرجَّح أن تعودَ إلى تغيّراتٍ في الفِلِزِّيّة على امتداد أنصافِ الأقطار، أكثرَ منها إلى تغيّراتٍ في العُمر. إنّ قياس تدرّجاتِ ألوان SBF قادرٌ على كشف تغيّراتٍ دقيقة في خصائصِ السُّكّان داخل المجرّة، ما يتيحُ دراسةَ تاريخِ الاندماج والتفاعلات أو التطوّر السلبي من زاويةٍ جديدة ومتعدّدة.

التطبيقاتُ المُستقبلية

تُظهرُ تنبّؤاتُ الألوان ونتائجُ نماذجِ تركيب السُّكّانِ النَّجْمِيّين المفصّلة أنّ تطبيقاتِ هذه الطريقة قادرةٌ على فَكّ الارتباط بين العُمر والفِلِزِّيّة الذي يُقيِّد دراسةَ الأَنْظِمَةِ النَّجْمِيَّةِ البعيدة غير المُحلَّلة. وعلى وجه الخصوص، تتنبّأ نماذجُ SPoT بأنّ استخدام ألوان SBF الممتدّة من البصري إلى القريب من تحتِ الحمراء ينبغي أن يُفَضَّل في دراساتِ السُّكّان.

إضافةً إلى ذلك، أثبتت الأدواتُ البصريّة الحالية إمكانَ قياس تدرّجات SBF واستعمالها – على سبيل المثال – لفهم كيفيّة تغيّر خصائص السُّكّان مع نصفِ القطر في المجرّاتِ الإهليلجيّة. حاليًّا لا توجد قياساتٌ لتدرّجات SBF في النطاقِ القريب من تحتِ الحمراء؛ ومع ذلك، من المعقول توقُّع أن التلسكوباتِ الكبيرة الحديثة المجهّزة بكواشف/كاميراتٍ واسعةِ المجال في القريب من تحتِ الحمراء ستُمكِّن من كشف تلك التدرّجات. تبدو هذه الإمكانية أكثرَ واقعيةً مع التلسكوباتِ الأرضيّة المقبلة من فئة 30–40 مترًا، وكذلك مع التلسكوبات الفضائيّة مثل JWST أو WSO (الأخيرُ للنطاق الأزرق وفوقِ البنفسجي). سيتاح بفضل هذا الجيل تغطيةٌ طيفيّة جيّدة تمتدّ من فوقِ البنفسجي إلى القريب وربّما المتوسّط من تحتِ الحمراء، بكفاءةٍ عالية ودقّةٍ مكانية.

إنّ ربطَ التدرّجاتِ البصريّة والقريبة من تحتِ الحمراء لـSBF – أي استخدام تدرّجاتِ ألوان SBF – سيُوفِّر بياناتٍ دقيقةً جدًّا لدراسة كيفيّة تشكّل المجرّات وتطوّرها.