اندماج المجرات

يمكن أن تحدث عمليات اندماج المجرات عندما تصطدم مجرتان (أو أكثر) . وهي أشد أنواع تفاعلات المجرات عنفًا . تؤثر التفاعلات الجاذبية بين المجرات والاحتكاك بين الغاز والغبار تأثيرًا كبيرًا على المجرات المعنية، إلا أن التأثيرات الدقيقة لهذه الاندماجات تعتمد على مجموعة واسعة من العوامل ، مثل زوايا الاصطدام والسرعات والحجم/التركيب النسبي، وهي حاليًا مجال بحث نشط للغاية. تكتسب عمليات اندماج المجرات أهمية بالغة لأن معدل الاندماج يُعد مقياسًا أساسيًا لتطور المجرات ، كما أنه يزود علماء الفلك بمعلومات حول كيفية نمو المجرات إلى أشكالها الحالية على مدى فترات زمنية طويلة. ^{[ 1 ]}

أثناء عملية الاندماج، تتأثر النجوم والمادة المظلمة في كل مجرة ​​بالمجرة المقتربة. ومع اقتراب الاندماج، يبدأ الجهد التثاقلي بالتغير بسرعة كبيرة لدرجة أن مدارات النجوم تتغير بشكل كبير، وتفقد أي أثر لمدارها السابق. تُسمى هذه العملية "الاسترخاء العنيف". ^{[ 2 ]} على سبيل المثال، عندما تصطدم مجرتان قرصيتان، تبدأ نجومهما بالدوران المنتظم في مستويات القرصين المنفصلين. أثناء الاندماج، تتحول هذه الحركة المنتظمة إلى طاقة عشوائية (" متوازنة حراريًا "). تهيمن النجوم على المجرة الناتجة، حيث تدور حولها في شبكة معقدة وعشوائية من المدارات المتفاعلة، وهو ما يُلاحظ في المجرات الإهليلجية .

تُعدّ عمليات اندماج المجرات مواقعَ لتكوين كميات هائلة من النجوم . ^{[ 5 ] [ 6 ]} قد يصل معدل تكوين النجوم (SFR) خلال عملية اندماج كبيرة إلى آلاف الكتل الشمسية من النجوم الجديدة سنويًا، وذلك اعتمادًا على محتوى الغاز في كل مجرة ​​وانزياحها نحو الأحمر . ^{[ 7 ] [ 8 ]} عادةً ما يكون معدل تكوين النجوم في عمليات الاندماج أقل من 100 كتلة شمسية جديدة سنويًا. ^{[ 9 ] [ 10 ]} وهذا يُعدّ كبيرًا مقارنةً بمجرتنا، التي لا تُنتج سوى عدد قليل من النجوم الجديدة سنويًا (حوالي  نجمين جديدين). ^{[ 11 ]} على الرغم من أن النجوم نادرًا ما تقترب بما يكفي للتصادم فعليًا في عمليات اندماج المجرات، فإن السحب الجزيئية العملاقة تسقط بسرعة إلى مركز المجرة حيث تصطدم بسحب جزيئية أخرى. ^{[ 12 ]} ثم تُحفّز هذه التصادمات تكثّف هذه السحب لتكوين نجوم جديدة. ويمكننا ملاحظة هذه الظاهرة في المجرات المندمجة في الكون القريب. ومع ذلك، كانت هذه العملية أكثر وضوحًا خلال عمليات الاندماج التي شكلت معظم المجرات الإهليلجية التي نراها اليوم، والتي يُرجح أنها حدثت قبل مليار إلى عشرة مليارات سنة، عندما كان هناك كميات أكبر بكثير من الغاز (وبالتالي المزيد من السحب الجزيئية ) في المجرات. كذلك، بعيدًا عن مركز المجرة، تتصادم سحب الغاز مع بعضها البعض، مُحدثةً صدمات تُحفز تكوين نجوم جديدة داخلها. نتيجةً لكل هذا العنف، تميل المجرات إلى امتلاك كميات قليلة من الغاز المتاح لتكوين نجوم جديدة بعد اندماجها. لذا، إذا شاركت مجرة ​​في اندماج كبير، ثم مرت بضعة مليارات من السنين، فلن يتبقى فيها سوى عدد قليل جدًا من النجوم الفتية (انظر: تطور النجوم ). هذا ما نراه في المجرات الإهليلجية اليوم، كميات قليلة جدًا من الغاز الجزيئي وعدد قليل جدًا من النجوم الفتية. يُعتقد أن هذا يعود إلى أن المجرات الإهليلجية هي نتاج نهائي لعمليات اندماج كبيرة تستهلك معظم الغاز أثناء الاندماج، وبالتالي يتوقف تكوين النجوم بعد اكتماله . ^{[ 13 ]} هذه هي المرحلة التي نسميها مرحلة ما بعد الانفجار النجمي، والمعروفة أيضًا باسم مرحلة PSB. على الرغم من أن مرحلة PSB يمكن أن تحدث نتيجة لأسباب متعددة، إلا أن اندماج المجرات عند انزياح أحمر يتراوح بين 0 و2 هو السبب الأكثر شيوعًا لهذه المرحلة، ويمكنه أن يُخمد تكوين النجوم بسرعة أكبر من أي ظاهرة أخرى في الكون. ^{[ 14 ]} 

يمكن محاكاة اندماج المجرات باستخدام الحواسيب، لفهم المزيد عن تكوينها. ولعلّ أشهر مثال على هذه المحاكاة هو اندماج مجرتنا درب التبانة ومجرة أندروميدا . تشير المحاكاة الحاسوبية، باستخدام بيانات تلسكوب هابل، إلى أنه بعد ملياري عام من الاصطدام، ستندمج المجرات المتفاعلة تمامًا تحت تأثير الجاذبية، لتتحول إلى مجرة ​​إهليلجية واحدة تشبه تلك الموجودة بكثرة في الكون القريب. ^{[ 17 ]} خلال العقد الماضي، أحرزنا تقدمًا هائلًا في التقنية التي نستخدمها لمحاكاة اندماج المجرات، وذلك بالاستعانة بالتعلم العميق، ولا سيما الشبكة العصبية الالتفافية، بحيث يمكن استخدامها أيضًا لاستنتاج معلومات حول الأطر الزمنية لأحداث الاندماج، فضلًا عن كل مرحلة من مراحل هذه العملية. ^{[ 18 ]} تمكن فريق بحثي من إجراء محاكاة باستخدام برنامج Gadget N-body/SPH للتنبؤ بالأطر الزمنية ذات الصلة لاندماج المجرات من نوعي Sbc-Sbc وGG، حيث حدثت المرحلة الأولى بين 0.39 و1.28 مليار سنة بعد بداية الاندماج، وبلغت أقصى مسافة فاصلة بين 0.68 و1.91 مليار سنة، واعتُبر حدث الاندماج قد وقع بين 1.17 و3.76 مليار سنة، وذلك تبعًا لنوع الاندماج الفرعي. ^{[ 19 ]} وبالمثل، يمكن توسيع نطاق استخدام هذه المحاكاة ليشمل أحداث ما بعد الاندماج أيضًا. استخدم فريق بحثي آخر إطار محاكاة مختلفًا لتقسيم أحداث ما بعد الاندماج إلى أربع مراحل وفتراتها الزمنية، حيث امتدت عملية ما بعد الاندماج بأكملها على مدى 1.76 مليار سنة. ^{[ 20 ]}

يمكن تتبع أزواج المجرات، مهما كان شكلها المورفولوجي، مع مراعاة جميع قوى الجاذبية ، بالإضافة إلى ديناميكيات السوائل وتبدد الغاز بين النجوم، وتكوّن النجوم من هذا الغاز، والطاقة والكتلة المنبعثة في الوسط بين النجوم بفعل المستعرات العظمى . ويمكن العثور على مكتبة لمحاكاة اندماج المجرات على موقع GALMER الإلكتروني. ^{[ 21 ]} وقد أجرت جينيفر لوتز، من معهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور، بولاية ماريلاند، دراسةً أنشأت محاكاة حاسوبية لفهم الصور الملتقطة بواسطة تلسكوب هابل الفضائي بشكل أفضل . ^{[ 1 ]} وحاول فريق لوتز مراعاة نطاق واسع من احتمالات الاندماج، بدءًا من اندماج مجرتين متساويتين في الكتلة، وصولًا إلى تفاعل مجرة ​​عملاقة مع مجرة ​​صغيرة. كما حلل الفريق مدارات مختلفة للمجرات، وتأثيرات التصادم المحتملة، وكيفية توجيه المجرات بالنسبة لبعضها البعض. إجمالاً، توصلت المجموعة إلى 57 سيناريو اندماج مختلفاً ودرست عمليات الاندماج من 10 زوايا نظر مختلفة. ^{[ 1 ]}  

إحدى أكبر عمليات اندماج المجرات التي تم رصدها على الإطلاق تتكون من أربع مجرات إهليلجية في العنقود CL0958+4702. وقد تشكل واحدة من أكبر المجرات في الكون. ^{[ 22 ]}

يمكن تصنيف عمليات اندماج المجرات إلى مجموعات متميزة بسبب خصائص المجرات المندمجة ، مثل عددها وحجمها النسبي وغناها بالغاز .

في النموذج الكوني القياسي، يُفترض أن أي مجرة ​​منفردة قد تشكلت من اندماجات متتالية قليلة أو كثيرة لهالات المادة المظلمة ، حيث يبرد الغاز ويتشكل النجوم في مراكز هذه الهالات، لتصبح الأجسام المرئية بصريًا التي عُرفت تاريخيًا بالمجرات خلال القرن العشرين. وقد عُولج نمذجة الرسم البياني الرياضي لاندماجات هالات المادة المظلمة هذه، وبالتالي تكوين النجوم المقابل، في البداية إما بتحليل محاكاة الجاذبية البحتة لأجسام متعددة ^{[ 25 ] [ 26 ]} أو باستخدام تطبيقات عددية لصيغ إحصائية (شبه تحليلية) ^{[ 27 ] .}

في مؤتمر علم الكونيات الرصدي الذي عُقد في ميلانو عام 1992 ، [25] عرض روكيما وكوين وبيترسون أولى أشجار ^{تاريخ اندماج هالات} المادة المظلمة المستخرجة من محاكاة كونية متعددة الأجسام . جُمعت أشجار تاريخ الاندماج هذه مع صيغ معدلات تكوين النجوم وتوليف التجمعات التطورية، مما أسفر عن دوال إضاءة اصطناعية للمجرات (إحصائيات عدد المجرات الساطعة أو الخافتة جوهريًا) في حقب كونية مختلفة. ^{[ 25 ] [ 26 ]} نظرًا للديناميكيات المعقدة لاندماج هالات المادة المظلمة، تتمثل إحدى المشكلات الأساسية في نمذجة شجرة تاريخ الاندماج في تحديد متى تكون الهالة في خطوة زمنية معينة امتدادًا لهالة في الخطوة الزمنية السابقة. اختارت مجموعة روكيما تعريف هذه العلاقة من خلال اشتراط أن تحتوي الهالة في الخطوة الزمنية اللاحقة على أكثر من 50% من الجسيمات الموجودة في الهالة في الخطوة الزمنية السابقة. يضمن هذا أنه بين خطوتين زمنيتين، لا يمكن لأي هالة أن يكون لها أكثر من سليل واحد. ^{[ 28 ]} تُنتج طريقة نمذجة تكوين المجرات هذه نماذج محسوبة بسرعة لتجمعات المجرات ذات أطياف اصطناعية وخصائص إحصائية مقابلة قابلة للمقارنة مع الملاحظات. ^{[ 28 ]}

بشكل مستقل، أوضح لاسي وكول في المؤتمر نفسه عام 1992 ^{[ 29 ]} كيف استخدما صيغة بريس-شيكتر مع الاحتكاك الديناميكي لتوليد نماذج إحصائية لمحاكاة مونت كارلو لأشجار تاريخ اندماج هالات المادة المظلمة ، والتكوين المقابل للنوى النجمية (المجرات) لهذه الهالات. ^{[ 27 ]} قام كوفمان ووايت وجايدردوني بتوسيع هذا النهج في عام 1993 ليشمل صيغًا شبه تحليلية لتبريد الغاز، وتكوين النجوم، وإعادة تسخين الغاز من المستعرات العظمى، والتحول المفترض للمجرات القرصية إلى مجرات إهليلجية. ^{[ 30 ]} لاحقًا، تبنت كل من مجموعة كوفمان وأوكاموتو وناغاشيما نهج محاكاة الأجسام المتعددة المشتق من شجرة تاريخ الاندماج. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

بعض المجرات التي هي في طور الاندماج أو يُعتقد أنها تشكلت عن طريق الاندماج هي:

• مجرات الهوائيات
• مجرات الفئران
• سنتوروس أ
• NGC 7318
• Arp 273

• الانتفاخ (علم الفلك)
• قائمة البثوث المميزة
• عجز الكتلة
• مجرة البازلاء

• مجرة أندروميدا متورطة في تصادم مجري – أخبار إن بي سي
• "غالمر: محاكاة اندماج المجرات"