28.2: عمليات دمج المجرات ونواة المجرة النشطة

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197645

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

اشرح كيف تنمو المجرات من خلال الاندماج مع المجرات الأخرى واستهلاك المجرات الأصغر (لتناول طعام الغداء)
وصف التأثيرات التي تحدثها الثقوب السوداء الهائلة في مراكز معظم المجرات على مصير المجرات المضيفة لها

إحدى الاستنتاجات التي توصل إليها علماء الفلك من دراسة المجرات البعيدة هي أن اصطدامات واندماج المجرات بأكملها تلعب دورًا مهمًا في تحديد كيفية اكتساب المجرات للأشكال والأحجام التي نراها اليوم. لا يشارك حاليًا سوى عدد قليل من المجرات القريبة في التصادمات، لكن الدراسات التفصيلية لتلك المجرات تخبرنا بما يجب البحث عنه عندما نبحث عن أدلة على عمليات الاندماج في مجرات بعيدة جدًا وخافتة جدًا. وهذا بدوره يعطينا أدلة مهمة حول المسارات التطورية المختلفة التي اتخذتها المجرات خلال الزمن الكوني. دعونا نفحص بمزيد من التفصيل ما يحدث عندما تصطدم مجرتان.

عمليات الاندماج وأكل لحوم البشر

تُظهر الصورة المصغرة للفصل عرضًا ديناميكيًا لمجرتين تتصادمان. لن تتأثر النجوم نفسها في هذا الزوج من المجرات كثيرًا بهذا الحدث الكارثي. (راجع مربع ميزات أساسيات علم الفلك لماذا تصطدم المجرات ولكن النجوم نادرًا ما تصطدم أدناه.) نظرًا لوجود مساحة كبيرة بين النجوم، فمن غير المحتمل جدًا حدوث تصادم مباشر بين نجمين. ومع ذلك، ستتغير مدارات العديد من النجوم مع تحرك المجرتين عبر بعضهما البعض، ويمكن أن يؤدي التغيير في المدارات إلى تغيير مظهر المجرات المتفاعلة تمامًا. يظهر في الشكل معرض المجرات المتصادمة المثيرة للاهتمام\(\PageIndex{1}\). يمكن أن تتشكل حلقات كبيرة ومحالق ضخمة من النجوم والغاز وغيرها من الهياكل المعقدة في مثل هذه التصادمات الكونية. في الواقع، هذه الأشكال الغريبة هي العلامات التي يستخدمها علماء الفلك لتحديد المجرات المتصادمة.

بديل — الشكل\(\PageIndex{1}\): معرض المجرات المتفاعلة. (أ و ب) تظهر M82 (مجرة أصغر في الأعلى) و M83 (حلزونية) (أ) في صورة ضوئية مرئية بالأبيض والأسود و (ب) في موجات الراديو المنبعثة من غاز الهيدروجين البارد. تُظهر صورة الهيدروجين أن المجرتين ملفوفتان في غطاء غاز مشترك يتم سحبه وتمديده بواسطة جاذبية المجرتين. (ج) يُظهر هذا المنظر القريب من مقراب هابل الفضائي بعض آثار هذا التفاعل على المجرة M82، بما في ذلك تدفق الغاز إلى الخارج (المحالق الحمراء) بفعل انفجارات المستعرات الأعظمية لنجوم ضخمة تشكلت في انفجار تكوين النجوم الذي كان نتيجة الاصطدام. (د) Galaxy UGC 10214 («The Tadpole») عبارة عن مجرة حلزونية ذات قضبان على بعد 420 مليون سنة ضوئية من درب التبانة تعطلت بسبب مرور مجرة أصغر. سحبت جاذبية المتطفل ذيل المد الطويل، الذي يبلغ طوله حوالي 280,000 سنة ضوئية، وأطلقت انفجارات من تكوين النجوم التي شوهدت على شكل كتل زرقاء على طول الذيل. (هـ) تُسمى المجرات NGC 4676 A و B بـ «الفئران». في صورة تلسكوب هابل الفضائي هذه، يمكنك رؤية ذيول النجوم الطويلة والضيقة التي يتم سحبها بعيدًا عن المجرات من خلال تفاعلات اللوالب. (هـ) Arp 148 عبارة عن زوج من المجرات التي تم القبض عليها في عملية الاندماج لتصبح مجرة جديدة واحدة. يبدو أن الاثنين قد مروا بالفعل عبر بعضهم البعض مرة واحدة، مما تسبب في موجة صدمة أدت إلى تحويل أحدهما إلى حلقة زرقاء لامعة من تكوين النجوم، مثل تموجات الحجر الذي تم رميه في البركة.

لماذا تصطدم المجرات ولكن النجوم نادرًا ما تصطدم

لقد أكدنا طوال هذا الكتاب على المسافات الكبيرة بين الأشياء في الفضاء. لذلك ربما فوجئت بسماع التصادمات بين المجرات. ومع ذلك (باستثناء نوى المجرات ذاتها) لا نشعر بالقلق على الإطلاق بشأن اصطدام النجوم داخل المجرة ببعضها البعض. دعونا نرى لماذا هناك فرق.

والسبب هو أن النجوم صغيرة بشكل يرثى له مقارنة بالمسافات بينها. دعونا نستخدم شمسنا كمثال. يبلغ عرض الشمس حوالي 1.4 مليون كيلومتر، ولكنها مفصولة عن أقرب نجم آخر بحوالي 4 سنوات ضوئية، أو حوالي 38 تريليون كيلومتر. بعبارة أخرى، تبلغ مساحة الشمس 27 مليون من أقطارها عن أقرب جار لها. إذا كانت الشمس عبارة عن جريب فروت في مدينة نيويورك، فإن أقرب نجم سيكون جريب فروت آخر في سان فرانسيسكو. هذا هو الحال بالنسبة للنجوم التي ليست في الانتفاخ النووي للمجرة أو داخل مجموعات النجوم. دعونا نقارن هذا بفصل المجرات.

يبلغ قطر القرص المرئي لدرب التبانة حوالي 100000 سنة ضوئية. لدينا ثلاث مجرات فضائية تبعد عنا بقطر واحد أو قطرين من درب التبانة (وربما ستصطدم بنا يومًا ما). أقرب حلزوني رئيسي هو مجرة أندروميدا (M31)، التي تبعد حوالي 2.4 مليون سنة ضوئية. إذا كانت درب التبانة عبارة عن فطيرة في أحد طرفي مائدة الإفطار الكبيرة، فسيكون M31 فطيرة أخرى على الطرف الآخر من نفس الطاولة. أقرب مجرة كبيرة لنا لا تبعد عنا سوى 24 قطرًا من أقطار مجرتنا، وستبدأ في الاصطدام بمجرة درب التبانة في حوالي 4.5 مليار سنة.

المجرات في المجموعات الغنية أقرب إلى بعضها البعض من تلك الموجودة في منطقتنا (انظر توزيع المجرات في الفضاء). وبالتالي، فإن فرص اصطدام المجرات أكبر بكثير من فرص اصطدام النجوم في قرص المجرة. ويجب أن نلاحظ أن الفرق بين فصل المجرات والنجوم يعني أيضًا أنه عندما تصطدم المجرات، فإن نجومها تمر دائمًا بجانب بعضها البعض مثل الدخان الذي يمر عبر باب الشاشة.

تفاصيل تصادم المجرات معقدة، ويمكن أن تستغرق العملية مئات الملايين من السنين. وبالتالي، من الأفضل محاكاة التصادمات على الكمبيوتر (الشكل\(\PageIndex{2}\))، حيث يمكن لعلماء الفلك حساب التفاعلات البطيئة للنجوم وسحب الغاز والغبار، عبر الجاذبية. تظهر هذه الحسابات أنه إذا كان التصادم بطيئًا، فقد تتجمع المجرات المتصادمة لتشكل مجرة واحدة.

عندما تتعرض مجرتان متساويتان في الحجم لحادث تصادم، فإننا نسمي هذا التفاعل بالاندماج (المصطلح المطبق في عالم الأعمال على شركتين متساويتين تتعاونان). لكن المجرات الصغيرة يمكن أيضًا ابتلاعها بواسطة المجرات الأكبر حجمًا - وهي عملية أطلق عليها علماء الفلك، مع بعض المتعة، اسم أكل لحوم البشر في المجرة (الشكل\(\PageIndex{3}\)).

تعد أجهزة الكمبيوتر الشخصية الحديثة أكثر من قوية بما يكفي لحساب ما يحدث عندما تصطدم المجرات. إليك موقع ويب وتطبيق Java يتيح لك تجربة يدك في تحطيم مجرتين حلزونيتين معًا من راحة منزلك أو غرفة النوم الخاصة بك. من خلال تغيير بعض عناصر التحكم الأساسية مثل الكتل النسبية وفصلها واتجاه قرص كل مجرة، يمكنك إنشاء نطاق واسع من نتائج الدمج الناتجة. (يمكنك أيضًا تنزيل تطبيق مشابه لجهاز iPhone أو iPad.)

ربما تتشكل المجرات البيضاوية الكبيرة جدًا التي ناقشناها في المجرات عن طريق تفكيك مجموعة متنوعة من المجرات الصغيرة في مجموعاتها. غالبًا ما تمتلك هذه المجرات «الوحوش» أكثر من نواة واحدة وربما اكتسبت لمعانًا عاليًا بشكل غير عادي عن طريق ابتلاع المجرات القريبة. النوى المتعددة هي بقايا ضحاياها (الشكل\(\PageIndex{3}\)). تدين العديد من المجرات الكبيرة والغريبة التي نلاحظها أيضًا بأشكالها الفوضوية لتفاعلاتها السابقة. يمكن أن تؤدي التصادمات وعمليات الدمج البطيئة إلى تحويل مجرتين أو أكثر من المجرات الحلزونية إلى مجرة بيضاوية واحدة.

التغيير في الشكل ليس كل ما يحدث عندما تصطدم المجرات. إذا احتوت أي من المجرات على مادة بين النجوم، يمكن أن يؤدي الاصطدام إلى ضغط الغاز وإحداث زيادة في معدل تشكل النجوم - بمقدار يصل إلى 100. يسمي علماء الفلك هذه الزيادة المفاجئة في عدد النجوم التي يتم تشكيلها بالنجم، والمجرات التي تحدث فيها الزيادة تسمى المجرات النجمية (الشكل\(\PageIndex{4}\)). في بعض المجرات المتفاعلة، يكون تكوين النجوم شديدًا جدًا بحيث يتم استنفاد كل الغاز المتاح في غضون بضعة ملايين من السنين فقط؛ من الواضح أن انفجار تكوين النجوم ليس سوى ظاهرة مؤقتة. ومع ذلك، أثناء حدوث انفجار نجمي، تصبح المجرة التي يحدث فيها أكثر سطوعًا وأسهل كثيرًا في اكتشافها على مسافات كبيرة.

عندما حصل علماء الفلك أخيرًا على الأدوات اللازمة لفحص عدد كبير من المجرات التي انبعثت ضوءها منذ 11 إلى 12 مليار سنة، وجدوا أن هذه المجرات الصغيرة جدًا غالبًا ما تشبه المجرات النجمية القريبة التي تشارك في عمليات الاندماج: لديها أيضًا نوى متعددة وأشكال غريبة، فهي عادة ما تكون أكثر تكتلًا من المجرات العادية اليوم، مع العديد من العقد المكثفة وكتل من ضوء النجوم الساطع، ولديها معدلات أعلى من تكوين النجوم من المجرات المعزولة. كما أنها تحتوي على الكثير من النجوم الزرقاء والشابة من النوع O و B، كما تفعل المجرات المدمجة القريبة.

تعد عمليات دمج المجرات في عالم اليوم نادرة. فقط حوالي خمسة بالمائة من المجرات القريبة تشارك حاليًا في التفاعلات. كانت التفاعلات أكثر شيوعًا منذ مليارات السنين (الشكل\(\PageIndex{5}\)) وساعدت في بناء المجرات «الأكثر نضجًا» التي نراها في عصرنا. من الواضح أن تفاعلات المجرات لعبت دورًا مهمًا في تطورها.

نوى المجرة النشطة وتطور المجرة

في حين أن عمليات دمج المجرات عبارة عن أحداث ضخمة ومذهلة تعيد تشكيل المجرات بأكملها تمامًا على مقاييس مئات الآلاف من السنوات الضوئية ويمكن أن تثير انفجارات هائلة من تكوين النجوم، فإن الثقوب السوداء المتراكمة داخل المجرات يمكن أن تزعج وتغير تطور المجرات المضيفة لها. لقد تعلمت في المجرات النشطة والكوازارات والثقوب السوداء فائقة الضخامة عن مجموعة من الأجسام المعروفة باسم نوى المجرة النشطة (AGN)، وكلها مدعومة بثقوب سوداء فائقة الضخامة. إذا كان الثقب الأسود محاطًا بكمية كافية من الغاز، يمكن أن يسقط بعض الغاز في الثقب الأسود، ويتم جرفه في الطريق إلى قرص التراكم، وهو عبارة عن دوامة مدمجة ربما يبلغ قطرها 100 AU فقط (حجم نظامنا الشمسي).

يسخن الغاز داخل القرص حتى يلمع ببراعة حتى في الأشعة السينية، وغالبًا ما يتفوق على بقية المجرة المضيفة بمليارات النجوم. يمكن أن تكون الثقوب السوداء فائقة الضخامة وأقراص تراكمها أماكن عنيفة وقوية، حيث يتم امتصاص بعض المواد في الثقب الأسود ولكن يتم إطلاق المزيد منها على طول نفاثات ضخمة عمودية على القرص. يمكن لهذه الطائرات القوية أن تمتد بعيدًا خارج الحافة المرصعة بالنجوم للمجرة.

كانت AGN أكثر شيوعًا في أوائل الكون، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن عمليات الاندماج المتكررة وفرت إمدادات غاز جديدة لأقراص تراكم الثقب الأسود. تشمل أمثلة AGN في الكون القريب اليوم تلك الموجودة في المجرة M87 (انظر الشكل)\(\PageIndex{1}\)، التي تحتوي على طائرة من المواد تنطلق من نواتها بسرعات قريبة من سرعة الضوء، وتلك الموجودة في المجرة الساطعة NGC 5128، والمعروفة أيضًا باسم Centaurus A (الشكل\(\PageIndex{6}\)).

تتحرك العديد من الجسيمات عالية التسارع مع الطائرات في هذه المجرات. على طول الطريق، يمكن للجسيمات الموجودة في الطائرات أن تتحول إلى غيوم غازية في الوسط بين النجوم، مما يؤدي إلى تفتيتها وتشتيتها. نظرًا لأن السحب الأكثر كثافة من الغاز والغبار ضرورية حتى تتجمع المواد معًا لتكوين النجوم، فإن اضطراب السحب يمكن أن يوقف تكوين النجوم في المجرة المضيفة أو يقطعها قبل أن تبدأ.

بهذه الطريقة، يمكن أن تلعب الكوازارات وأنواع أخرى من AGN دورًا مهمًا في تطور مجراتها. على سبيل المثال، هناك أدلة متزايدة على أن دمج مجرتين غنيتين بالغاز لا ينتج فقط انفجارًا كبيرًا في تكوين النجوم، ولكنه يؤدي أيضًا إلى نشاط AGN في قلب المجرة الجديدة. يمكن لهذا النشاط، بدوره، أن يبطئ أو يوقف انفجار تكوين النجوم - مما قد يكون له آثار كبيرة على الشكل الظاهري والسطوع والمحتوى الكيميائي والمكونات النجمية للمجرة بأكملها. يشير علماء الفلك إلى هذه العملية على أنها ملاحظات AGN، ويبدو أنها عامل مهم في تطور معظم المجرات.

ملخص

عندما تصطدم المجرات ذات الحجم المماثل وتتحد، فإننا نسميها الاندماج، ولكن عندما تبتلع مجرة صغيرة مجرة أكبر بكثير، فإننا نستخدم مصطلح أكل لحوم البشر في المجرة. تلعب التصادمات دورًا مهمًا في تطور المجرات. إذا كان التصادم يشمل مجرة واحدة على الأقل غنية بالمواد بين النجوم، فإن ضغط الغاز الناتج سيؤدي إلى انفجار في تكوين النجوم، مما يؤدي إلى مجرة نجمية. كانت عمليات الاندماج أكثر شيوعًا عندما كان الكون صغيرًا، والعديد من المجرات البعيدة التي نراها هي مجرات نجمية متورطة في التصادمات. يمكن أن يكون لنواة المجرة النشطة التي تعمل بالثقوب السوداء الضخمة في مراكز معظم المجرات تأثيرات كبيرة على المجرة المضيفة، بما في ذلك إيقاف تكوين النجوم.

مسرد المصطلحات

أكل لحوم البشر في المجرة: عملية تقوم من خلالها مجرة أكبر بتجريد مادة من واحدة أصغر أو ابتلاعها تمامًا

الاندماج: تصادم بين المجرات (ذات الحجم المماثل تقريبًا) التي تتحد لتشكل بنية جديدة واحدة

نجمي: مجرة أو اندماج مجرات متعددة تحول الغاز إلى نجوم بشكل أسرع من المعتاد