9 دقیقه
مدلهای جدید کامپیوتری نشان میدهند که تقسیم جالب راه شیری به دو جمعیت ستارهای شیمیایی متمایز — که مدتها گمان میرفت نشانهی یکتای تاریخچه این کهکشان باشد — میتواند از مسیرهای تکاملی متنوعی پدید آید. بهجای یک رویداد دراماتیک واحد، ترکیبی از فورانهای ستارهزایی، تغییر در جریانهای گازی ورودی و ورود گازهای کمفلز از محیط برونکهکشانی (CGM) میتواند همان الگوی دوپارهشدگی شیمیایی را بسازد. این یافتهها درک ما از تاریخچه تشکیل کهکشانها را غنی میکنند و نکات جدیدی درباره نقش ادغامها، جذب گاز و بازخوردهای ستارهای مطرح میکنند.
این تصویر دیسک گازی را در یک شبیهسازی از مجموعه Auriga برای یک کهکشان شبیه راه شیری نشان میدهد. رنگها نسبت منیزیم به آهن (Mg/Fe) را نمایش میدهند؛ مرکز کهکشان (صورتی) از منظر منیزیم فقیرتر است در حالی که بخشهای بیرونی (سبز) غنی از منیزیماند. این الگوهای شیمیایی سرنخهای مهمی درباره چگونگی شکلگیری کهکشان فراهم میآورند و برای بازسازی تاریخچه ستارهزایی و جذب گاز در کهکشان حیاتیاند.
گشودن راز تقسیم شیمیایی راه شیری
یکی از معماهای دیرپا در اخترشناسی کهکشانها همان «بیمودالیته شیمیایی» است: هنگامی که ستارگان پیرامون خورشید در نمودار نسبت Mg/Fe در برابر فراوانی آهن (Fe/H) رسم شوند، دو رشته نسبتاً متمایز ولی تا حدودی همپوشان دیده میشوند. از آنجا که منیزیم عمدتاً توسط ستارگان پرجرم و کوتاهعمر (ابرنواخترهای هستهگُسلی یا core-collapse) تولید میشود و آهن بهتدریج از طریق ابرنواخترهای نوع Ia افزوده میگردد، نسبت Mg/Fe ردیابی حساس از تاریخچه ستارهزایی و تراز جریانهای گازی یک کهکشان ارائه میدهد. در تحلیلهای طیفسنجی و کیمیاگری ستارهها، این نسبت بهعنوان یک «ساعت شیمیایی» برای تشخیص فازهای مختلف شکلگیری ستارگان به کار میآید و اطلاعات کلیدی درباره نرخ ستارهسازی و زمانبندی رویدادهای جذب گاز و ادغام میدهد.
گروهی از پژوهشگران در Institute of Cosmos Sciences دانشگاه بارسلونا (ICCUB) به همراه همکارانی از CNRS از مجموعه شبیهسازیهای کیهانشناختی-مغناطو-هیدرودینامیکی Auriga استفاده کردند تا رشد کهکشانهایی شبیه به راه شیری را در یک جهان مجازی واقعگرایانه بازسازی کنند. با اجرای سی شبیهسازی مستقل که تاریخهای ادغام، نرخهای جذب گاز و فیزیک بازخورد را تغییر میدادند، تیم توانست بررسی کند آیا ظهور دو رشته شیمیایی الزاماً نیازمند یک علت واحد مانند یک ادغام بزرگ است یا اینکه این پدیده میتواند نتیجه طبیعی تکامل کهکشان باشد. شبیهسازیهای Auriga با توجه به جزئیات فیزیکی شامل مدلهای بازخورد ابرنواختری، خنکشدن گاز، و تکامل میدان مغناطیسی، ابزار مناسبی برای آزمون سناریوهای مختلف تولید میکنند.
پاسخ حاصل: راههای متعدد. در بسیاری از کهکشانهای Auriga دو رشته مجزا در نمودار Mg/Fe–Fe/H بدون وجود یک محرک واحد و مشترک پدید آمدند. در عوض، تکهتکهای از فرایندها — فورانهای ستارهزایی شدید و نسبتا کوتاهمدت؛ وقفههایی در ستارهزایی؛ تغییرات در منبع و فلزناکی گاز ورودی — میتوانند ستارگان یک کهکشان را به دو مسیر شیمیایی ظاهری تفکیک کنند. این نتیجه نشان میدهد که «بیمودالیته شیمیایی» میتواند نشانهای از یک تاریخچه پیچیدهی چندعاملی باشد، نه صرفاً اثر یک برخورد تاریخیِ بزرگ.
راههای تکاملی متعدد: فورانهای ستارهای، جریانهای گازی و CGM
یکی از الگوهای قوی که از شبیهسازیها بیرون آمد این است که شکل و جدایی دو رشته شیمیایی بهطور نزدیکی بازتابدهنده جدول زمانی ستارهزایی کهکشان است. یک فوران سریع و اولیه ستارهزایی نسبت Mg/Fe را بالا میبرد، زیرا ستارگان پرجرم خیلی سریع منفجر شده و عناصر آلفا مانند منیزیم را وارد محیط بینستارهای میکنند. چنانچه ستارهزایی پس از این دوره کاهش یابد یا متوقف شود، ابرنواخترهای نوع Ia همچنان به افزودن آهن ادامه میدهند و در نتیجه ستارگان متولدشده در دورههای بعدی نسبت Mg/Fe پایینتری خواهند داشت و بدینترتیب یک مسیر دوم با Mg/Fe کمتر شکل میگیرد. از منظر «تاریخچه ستارهزایی» (star-formation history) این وضعیت میتواند بهصورت یک «پِن» یا شکاف در نمودارهای شیمیایی ظهور کند.
از سوی دیگر، تغییر در فلزناکی گاز ورودی به کهکشان هم میتواند باعث ایجاد بیمودالیته شود. اگر دیسک کهکشان شروع به جذب حجم بیشتری از گاز کمفلز از محیط برونکهکشانی (CGM) یا هاله بیرونی کند، نسلهای جدیدی از ستارگان با فلزناکی کلی پایینتر و نسبتهای Mg/Fe متفاوت نسبت به جمعیتهای قبلی ساخته خواهند شد. مدلهای Auriga نشان میدهند که ترکیبی از فرایندهای درونی (مانند بازخورد ستارهای و رانش شعاعی ستارگان) و جذب گاز خارجی میتواند بدون نیاز به یک برخورد بزرگ شیمیای دوپارهشده را پدید آورد. علاوه بر این، نوسانات زمانی در نرخ جذب گاز و تغییر منابع تغذیه (مثلاً جریانهای سرد در مقیاسهای کوچک در برابر اِفراط جذب از طریق هاله) میتوانند تنوع زیادی در الگوهای شیمیایی ایجاد کنند.
این نتیجه مفهوم رایج که تقسیم شیمیایی دوگانهٔ راه شیری را بهطور یگانهای به یک ادغام مشخص — بهویژه رویداد Gaia-Sausage-Enceladus (GSE) — نسبت دهد به چالش میکشد. در حالی که GSE بدون شک بر دینامیک و برخی جمعیتهای ستارهای کهکشان تأثیر گذاشته، شبیهسازیها نشان میدهند که یک ادغام شبیه GSE شرط لازم برای بیمودالیته شیمیایی نیست. ورود جریانهای گازی کمفلز از CGM یا چرخههای متناوب ستارهزایی میتوانند امضاهای شیمیایی مشابهی تولید کنند؛ بنابراین ترکیب کیمیاگری ستارگان، تاریخچه سنی و ویژگیهای جنبشی باید همزمان مورد بررسی قرار گیرد تا بتوان بین سناریوهای مختلف تفکیک قایل شد.
پیامدها برای دیگر کهکشانها و پیشبینیهای مشاهدهای
درک این مسیرها فراتر از کهکشان خودمان اهمیت دارد. برای مثال، آندرومدا (M31) — نزدیکترین کهکشان بزرگ همسایه — در مشاهدات کنونی همان تقسیم شیمیایی واضح را نشان نمیدهد که این موضوع بر متنوع بودن فرایندهای تکاملی حتی در کهکشانهای مارپیچی با اندازه مشابه دلالت دارد. نتایج Auriga پیشبینی میکنند که با افزایش طیفسنجی با وضوح بالا و سرشماریهای شیمیایی برای جمعیتهای ستارهای دورتر، طیف وسیعی از الگوهای شیمیایی در کهکشانهای بیرونی مشاهده خواهد شد، از جمله نمونههایی که بیمودالیته واضح دارند و نمونههایی که الگوهای پیوسته یا پیچیدهتری از ترکیب عناصر را نشان میدهند.
بعلاوه، این تحلیلات پیامدهایی برای مفهوم «برچسبزنی شیمیایی» (chemical tagging) و تلاش برای بازسازی تاریخچه یک کهکشان با استفاده از ترکیب شیمیایی و جنبش ستارگان دارد. اگر الگوهای دوخطی (دو گروه Mg/Fe) بتوانند از مسیرهای گوناگون ایجاد شوند، آنگاه برای تفکیک نقش ادغامها از نقش جذب گاز و تغییرات داخلی به دادههای ترکیبی شیمیایی-سنی-جنبشی نیاز خواهیم داشت. به عبارت دیگر، تطبیق بین دادههای طیفسنجی (مثلاً نتایج پروژههایی مانند APOGEE و GALAH)، دادههای موقعیت و حرکت (از ماموریت گایا) و پیشبینیهای شبیهسازیهایی مثل Auriga برای تشخیص ردپای واقعیِ هر فرایند ضروری است.
آزمونهای مشاهدهای و تلسکوپهای نسل بعد
پیشبینیهای مجموعه Auriga در زمانی مناسب مطرح شدهاند: ابزارها و رصدخانههای جدید و آینده شمار شیمیایی ستارگان را هم در داخل و هم فراتر از راه شیری بهطور چشمگیری گسترش خواهند داد. تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و نسل بعدی تلسکوپهای زمینی کلاس 30 متری (مانند ELT، TMT و GMT) امکان مطالعات شیمیایی دقیق جمعیتهای ستارهای در کهکشانهای نزدیک را فراهم میکنند. این تلسکوپها با توان طیفنگاری با رزولوشن بالا و حساسیت به خطوط عناصر مختلف، به ما اجازه میدهند تا نسبتهای عنصری مثل Mg/Fe و فراوانی کلی فلزات را در ستارگان دورتر اندازهگیری کنیم.
ماموریتهای برنامهریزیشده مانند PLATO و طرحهای مفهومی مانند Chronos نیز محدودیتهای دقیقی بر سنها و ترکیبهای شیمیایی فراهم خواهند آورد که برای تطبیق با خروجی شبیهسازیها اهمیت دارد. ترکیب اطلاعات سنی (age-dating)، طیفسنجی دقیق و دادههای دینامیکی، این امکان را میدهد که ارتباط بین نمودارهای Mg/Fe–Fe/H و دورههای تکاملی مشخص را آزمایش کنیم. در صورت همسویی شبیهسازی و رصد، ما نقشهبرداری روشنی میان ویژگیهای شیمیایی و رخدادهای تکاملی نظیر ادغامها، موجهای جذب گاز و موجهای فوران ستارهای بهدست خواهیم آورد — ابزاری ارزشمند برای بازسازی گذشته کهکشانهای دوردست.
دیدگاه کارشناسانه
«شبیهسازیهای Auriga تأکید میکنند که کهکشانها به یک سناریوی تکامل واحد محدود نیستند» میگوید دکتر عایشه رحمان، اخترفیزیکدانی متخصص تکامل شیمیایی. «الگوهای دوخطی شیمیایی مثل اثر انگشتاند: مفید، اما نه منحصر به فرد. با ترکیب کیمیاگری ستارگان، تعیین سن و جنبششناسی میتوانیم دنبالهوقایع را که شکلدهنده یک کهکشان بودهاند، شروع به خواندن کنیم.» این نظر نشان میدهد که برای استخراج اطلاعات معتبر از نمودارهای Mg/Fe–Fe/H و Fe/H، باید از ابزارهای چندرشتهای شامل شبیهسازیهای پیشرفته، مشاهدات طیفنگاری با کیفیت و تحلیلهای آماری-کهکشانی استفاده شود.
جمعبندی
بهجای یک توضیح واحد و کتابی، بیمودالیته شیمیایی راه شیری به نظر میرسد نتیجه طبیعی مجموعهای از فرایندهای تکاملی متنوع باشد. شبیهسازیهای Auriga نشان میدهند که تاریخچه ستارهزایی، فلزناکی جریانهای گازی ورودی و محیط برونکهکشانی میتوانند همگی دو مسیر شیمیایی متمایز را حک کنند. تلسکوپها و سرشماریهای آینده برای آزمون این پیشبینیها و روشن کردن اینکه الگوی شیمیایی کهکشان ما تا چه حد در کیهان متداول یا نادر است، نقش محوری خواهند داشت. بهطور خاص، ترکیب دادههای طیفسنجی با وضوح بالا، اطلاعات سنی دقیق و شبیهسازیهای کاسمولوژیکیِ مغناطو-هیدرودینامیکی، زمینهای فراهم میآورد تا پرسشهای کلیدی درباره پیدایش و تکامل کهکشانها و نقش عوامل داخلی و خارجی در شکلدهی ترکیب شیمیایی ستارگان پاسخ داده شوند.
منبع: scitechdaily
نظرات
سام_ز
تو یک شبیهسازی کوچکتر منم دیدم؛ یه وقفه تو ستارهزایی تقریبا همون الگو رو ساخت، ولی جزئیات پارامترها مهمه
ارسال نظر