Odkrywanie tajemnicy rzadkich obwodów radiowych we wszechświecie

Galaktyczne wiatry płynące z eksplodujących gwiazd mogą wyjaśniać masywne pierścienie.

Nie codziennie astronomowie pytają: „Co to jest?” Przecież większość obserwowanych zjawisk astronomicznych jest znana: gwiazdy, planety, czarne dziury, galaktyki. Jednak w 2019 roku nowo ukończony teleskop ASKAP (Australian Square Kilometre Array) uchwycił coś, czego nikt wcześniej nie widział: kręgi fal radiowych tak duże, że zawierają w swoich środkach całe galaktyki.

Chociaż społeczność astrofizyczna próbowała ustalić, czym są te kręgi, chciała także wiedzieć Dlaczego To były kręgi. Teraz zespół kierowany przez Alison Coyle, profesor astronomii i astrofizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, wierzy, że znalazł odpowiedź: okręgi to powłoki utworzone przez przepływające wiatry galaktyczne, być może z masywnych eksplodujących gwiazd znanych jako supernowe. Ich prace publikowane są w Natura.

Pojedyncze kręgi radiowe, takie jak ORC 1 na powyższym zdjęciu, są wystarczająco duże, aby pomieścić galaktyki w swoich centrach, a ich średnica wynosi setki tysięcy lat świetlnych. Źródło: © J. English (U. Manitoba)/EMU/MeerKAT/DES(CTIO)

Cowell i jej współpracownicy badali masywne galaktyki z wybuchami gwiazd, które mogą napędzać niezwykle szybko płynące wiatry. Galaktyki z wybuchem gwiazd charakteryzują się wyjątkowo wysokim tempem powstawania gwiazd. Kiedy gwiazdy umierają i eksplodują, wyrzucają gaz z gwiazdy i jej otoczenia do przestrzeni międzygwiazdowej. Jeśli wystarczająca liczba gwiazd eksploduje jednocześnie blisko siebie, siła tych eksplozji może wypchnąć gaz z samej galaktyki do płynącego wiatru, który może poruszać się z prędkością do 2000 kilometrów na sekundę.

„Te galaktyki są naprawdę interesujące” – powiedział Cowell, który jest także kierownikiem Wydziału Astronomii i Astrofizyki. „Dochodzi do niego, gdy zderzają się dwie duże galaktyki. Połączenie wypycha cały gaz na bardzo mały obszar, powodując intensywną eksplozję powstawania gwiazd. Masywne gwiazdy szybko się spalają, a kiedy umierają, wyrzucają swoje gazy w płynących wiatrach”.

Ogromny, rzadki i niewiadomego pochodzenia

Postęp technologiczny umożliwił ASKAPowi skanowanie dużych fragmentów nieba w bardzo słabych granicach, dzięki czemu w 2019 r. po raz pierwszy udało się wykryć pojedyncze obwody radiowe (ORC). ORC były ogromne – miały setki kilometrów średnicy, a jeden kiloparsek równy 3260 lekkich parseków . lat (dla porównania, droga Mleczna Galaktyka ma około 30 kiloparseków).

Zaproponowano wiele teorii wyjaśniających pochodzenie ORC, w tym mgławice planetarne i… Czarna dziura fuzji, ale same dane radiowe nie są w stanie rozróżnić teorii. Cowell i jej współpracownicy byli zaintrygowani i pomyśleli, że możliwe jest, że pierścienie radiowe powstały w wyniku ewolucji z późniejszych stadiów badanych galaktyk gwiazdotwórczych. Rozpoczęli badania ORC 4 – pierwszego ORC odkrytego i obserwowalnego z półkuli północnej.

Symulacja wiatrów napędzanych eksplozjami gwiazd w trzech różnych okresach, począwszy od 181 milionów lat temu. Górna połowa każdego obrazu pokazuje temperaturę gazu, podczas gdy dolna połowa pokazuje prędkość radialną. Źródło: Cassandra Luchas / Instytut Nauki o Teleskopach Kosmicznych

Do tego czasu ORC obserwowano jedynie poprzez emisję radiową, bez żadnych danych optycznych. Zespół Cowella użył zintegrowanego spektrografu polowego w Obserwatorium WM Keck na Maunakea na Hawajach, aby przyjrzeć się ORC 4, który ujawnił ogromną ilość niezwykle jasnego, gorącego i zwartego gazu – znacznie więcej niż obserwuje się w przeciętnej galaktyce.

Mając więcej pytań niż odpowiedzi, zespół przystępuje do pracy detektywistycznej. Korzystając z danych obrazowania optycznego i podczerwonego, ustalili, że gwiazdy w galaktyce ORC 4 mają około 6 miliardów lat. „W tej galaktyce nastąpiła eksplozja powstawania gwiazd, ale zakończyła się ona około miliarda lat temu” – powiedział Cowell.

Symulacje i wnioski

Cassandra Luchas, doktorantka w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, specjalizująca się w teoretycznej stronie wiatrów galaktycznych i współautorka artykułu, przeprowadziła zestaw numerycznych symulacji komputerowych, aby odtworzyć rozmiar i właściwości szerokopasmowego radia. Pierścień zawierający dużą ilość zimnego gazu wpadł do galaktyki centralnej.

Ich symulacje wykazały, że płynące wiatry galaktyczne wieją przez 200 milionów lat, zanim ustaną. Kiedy wiatry ustały, pędzący do przodu szok w dalszym ciągu wypychał wysokotemperaturowy gaz z galaktyki i utworzył pierścień radiowy, podczas gdy szok odwrotny spowodował, że zimny gaz spadł z powrotem na galaktykę. Symulacja trwała ponad 750 milionów lat, w szacowanym wieku gwiazdowym ORC 4 na 1 miliard lat.

Symulacja komputerowa galaktycznego wiatru odrzutowego wystrzelonego z początkową prędkością 450 kilometrów na sekundę i masowym natężeniu przepływu 200 mas Słońca rocznie, który wydmuchuje gaz z galaktyki przez 200 milionów lat do otaczającego ośrodka galaktycznego. Lewy panel pokazuje temperaturę gazu, a prawy panel pokazuje gęstość gazu. Symulacja ta dostarcza możliwego wyjaśnienia pochodzenia poszczególnych obwodów radiowych. Źródło: Cassandra Luchas / Instytut Nauki o Teleskopach Kosmicznych

„Aby to zadziałało, potrzebne jest duże natężenie wypływu masy, co oznacza, że ​​bardzo szybko wyrzucane są duże ilości materiału. A otaczający gaz poza galaktyką musi mieć małą gęstość, w przeciwnym razie szok ustanie. To są dwie przesłanki kluczowych czynników” – powiedział Cowell. „Okazuje się, że badane przez nas galaktyki charakteryzują się dużym natężeniem przepływu mas. Są rzadkie, ale istnieją. Naprawdę myślę, że to wskazuje na ORC powstające w wyniku pewnego rodzaju płynącego wiatru galaktycznego”.

Wiatry płynące nie tylko mogą pomóc astronomom zrozumieć ORC, ORC mogą pomóc astronomom również zrozumieć wiatry płynące. „ORC umożliwiają nam obserwację wiatrów za pomocą danych radiowych i spektroskopii” – powiedział Cowell.

„Może to pomóc nam określić, jak powszechne są te intensywnie płynące wiatry galaktyczne i jaki jest cykl życia wiatru. Mogą nam również pomóc dowiedzieć się więcej o ewolucji galaktyk: czy wszystkie masywne galaktyki przechodzą przez fazę ORC? Czy galaktyki spiralne zamieniają się w elipsoidy, kiedy przestaną tworzyć gwiazdy?” „Myślę, że możemy się wiele dowiedzieć o ORC i nauczyć się od ORC.

Odniesienie: „Zjonizowany gaz rozciąga się na ponad 40 kiloparseków w obrębie pojedynczej galaktyki macierzystej obwodu radiowego” autorstwa Alison L. Coyle, Serena Perrotta, David S. N. Rupke, Cassandra Lochhas i Christy A. Tremonti, Alex Diamond Stanek, Drummond Fielding i James E. Geach, Ryan C. Hickox, John Moustakas, Gregory H. Rudnick, Paul Sell i Kelly E. Jen, 8 stycznia 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06752-8