آیا کهکشان‌ها «کلید مرگ» دارند؟

به گزارش والا.

کهکشان ها برای همیشه رشد نمی کنند. حتی ستاره‌دارترین کهکشان‌ها نیز در نقطه‌ای شروع به کاهش سرعت می‌کنند، سپس متوقف می‌شوند و سپس وارد دوران بازنشستگی طولانی و آرام می‌شوند.

اخترشناسان مدت‌هاست که از این انتقال مطلع بوده‌اند، اما ما هرگز توضیح فیزیکی روشنی برای علت وقوع آن، به‌ویژه در مقیاس جرم شناخته شده، نداشته‌ایم.

مقاله جدیدی به رهبری پریتش میشرا از موسسه مطالعات پیشرفته در کره جنوبی، همراه با یک تیم بین المللی از دانشمندان، یک پیشنهاد واضح و قابل آزمایش ارائه می دهد. کاهش سرعت رشد کهکشان ها به دلیل تولد یک ابر پایدار از گاز داغ در اطراف کهکشان است که با جرم بسیار خاصی (حدود 10 تا 12.5 جرم خورشید) تشکیل می شود.

بالاتر از این آستانه، کهکشان‌ها دیگر کارخانه‌های کارآمدی برای تولید ستارگان نیستند، مهم نیست چقدر مواد خام در دسترس است.

حال سوال این است که این سوئیچ را چه چیزی می چرخاند؟

برای رسیدن به این محاسبات، محققان از شبیه‌سازی Horizon Run 5 استفاده کردند که یکی از بزرگترین شبیه‌سازی‌های کیهان‌شناسی است. این شبیه‌سازی که برشی از جهان مجازی به وسعت یک گیگاپارسک را در بر می‌گیرد، فیزیک کامل گاز، گرانش، شکل‌گیری ستاره، ابرنواخترها و سیاه‌چاله‌های پرجرم را از مدت کوتاهی پس از انفجار بزرگ تا امروز مدل‌سازی می‌کند و به محققان اجازه می‌دهد تا کهکشان‌های منفرد را در کل تاریخ خود ردیابی کنند.

میشا و همکارانش نزدیک به 20000 از عظیم ترین کهکشان های مرکزی را انتخاب کردند و آنچه را که در طول زمان کیهانی برای آنها اتفاق افتاد مشاهده کردند.

مقدار اصلی که آنها ردیابی می کنند، نسبت جرم ستاره ای به جرم کل است. این معیاری است که نشان می‌دهد چه مقدار از کل جرم کهکشانی (ستاره‌ها، گاز، ماده تاریک، سیاه‌چاله‌ها و هر چیز دیگری) در واقع در ستارگان به دام افتاده است. به آن به عنوان گزارشی در مورد کارایی تشکیل ستاره در یک کهکشان فکر کنید.

این تیم دریافت که این نسبت در کهکشان هایی با جرم کل بین 10 تا 12.4 جرم خورشیدی و 10 تا 12.7 جرم خورشیدی به شدت به اوج خود می رسد. در زیر این محدوده، کهکشان ها گاز را با همان سرعتی که جریان گاز به ستاره تبدیل می کنند. علاوه بر این، سرعت آن بیش از سه برابر کاهش می یابد. این قله جرم بحرانی است.

نظریه میشا در مورد اینکه چرا کهکشان ها رشد نمی کنند، تشکیل هاله ای از گاز داغ است که به تعادل گرانشی رسیده است. با رشد کهکشان، گازی که در آن می افتد به شدت گرم می شود. این گاز به سرعت سرد می شود تا زمانی که به جرم معینی برسد تا به رسوب و تشکیل ستارگان جدید ادامه دهد.

هنگامی که تاج از توده بحرانی عبور می کند، آنقدر متراکم و داغ می شود که بتواند میلیاردها سال در برابر جاذبه مقاومت کند. گاز دیگر نمی تواند آنقدر سریع خنک شود که سقوط کند و سوخت کهکشان به طور ناگهانی تمام می شود. تاج همچنان به بلعیدن ماده تاریک و جذب کهکشان های ماهواره ای ادامه می دهد، اما گاز سردی که در واقع ستاره ها را می سازد دیگر به آن نمی رسد.

مقاله همچنین توضیح رقابتی را رد می کند. حدس طبیعی این است که کهکشان های بالاتر از جرم بحرانی به دلیل پرتاب شدن توسط ابرنواخترها و هسته های فعال کهکشانی، بیشتر ماده طبیعی خود را از دست می دهند.

محققان این موضوع را مستقیماً با محاسبه اینکه چقدر از بودجه باریونی هر کهکشان واقعاً به منظومه متصل است، تأیید کردند و دریافتند که این تغییر بیش از 30 درصد نبوده است. این مقدار صفر نیست، اما نمی تواند کاهش سه برابری راندمان تشکیل ستاره را توضیح دهد. این بدان معنی است که تغییر تایید شده در سمت ورودی است، نه در سمت خروجی.

چند نکته قابل توجه است. Horizon Run 5 یک شبیه‌سازی است، نه یک تلسکوپ، و نتایج آن بر اساس فیزیک زیرشبکه‌ای است که برای مدل‌سازی شکل‌گیری ستاره‌ها، ابرنواخترها و بازخورد سیاه‌چاله استفاده می‌شود. نویسندگان تست‌های حساسیت را انجام دادند و نتیجه اولیه ثابت ماند، اما مقدار دقیق عددی اندازه‌گیری جرم بحرانی می‌تواند با بهبود این ورودی‌ها تغییر کند.

این تجزیه و تحلیل همچنین محدود به کهکشان هایی با جرم بیشتر از 10 تا 10.8 خورشیدی است تا اطمینان حاصل شود که هر کدام ذرات شبیه سازی شده کافی برای به دست آوردن یک راه حل قابل اعتماد دارند. کهکشان های کوچکتر داستان شبیه سازی دیگری هستند.

چیزی که این کار را رضایت بخش می کند این است که یک الگوی مشاهده ای شناخته شده را به یک مکانیسم فیزیکی خاص مرتبط می کند. نه تنها کهکشان‌های بالای یک جرم خاص خاموش می‌شوند، بلکه زمانی که هاله‌های گاز داغ آن‌ها خودکفا می‌شوند نیز خاموش می‌شوند. این فرضیه ای است که می تواند با مطالعات آینده خوشه های کهکشانی، محیط داغ بین کهکشانی و گاز و غبار بین کهکشانی آزمایش شود.

در نهایت، زمانی که این بررسی ها تکمیل شد، متوجه خواهیم شد که آیا محققین پاسخ درستی را یافته اند یا خیر.