Odhalení záhady za vzácnými rádiovými obvody ve vesmíru

Masivní prstence mohou vysvětlit galaktické větry proudící z explodujících hvězd.

Nestává se každý den, kdy astronomové říkají: „Co je to?“ Ostatně většina pozorovaných astronomických jevů je známa: hvězdy, planety, černé díry, galaxie. Ale v roce 2019 nově dokončený dalekohled ASKAP (Australian Square Kilometer Array) zachytil něco, co nikdo předtím neviděl: kruhy rádiových vln tak velké, že ve svých centrech obsahují celé galaxie.

Zatímco se astrofyzická komunita snažila určit, co tyto kruhy jsou, chtěla to také vědět Proč Byly to kruhy. Nyní tým vedený Alison Coyle, profesorkou astronomie a astrofyziky na Kalifornské univerzitě v San Diegu, věří, že možná našel odpověď: kruhy jsou skořápky tvořené proudícími galaktickými větry, možná z masivních explodujících hvězd známých jako supernovy. Jejich práce jsou publikovány v Příroda.

Jednotlivé rádiové kruhy, jako ORC 1 na obrázku výše, jsou dostatečně velké, aby obsahovaly galaxie ve svých centrech, a mají stovky tisíc světelných let v průměru. Zdroj: © J. English (U. Manitoba)/EMU/MeerKAT/DES(CTIO)

Cowell a její spolupracovníci studovali masivní „starburst“ galaxie, které mohou pohánět tyto extrémně rychle proudící větry. Starburst galaxie mají výjimečně vysokou rychlost tvorby hvězd. Když hvězdy umírají a explodují, vytlačují plyn z hvězdy a jejího okolí do mezihvězdného prostoru. Pokud by současně explodovalo dostatečné množství hvězd blízko u sebe, síla těchto explozí by mohla vytlačit plyn ze samotné galaxie do proudícího větru, který se může pohybovat rychlostí až 2000 kilometrů za sekundu.

„Tyto galaxie jsou opravdu zajímavé,“ řekl Cowell, který je také předsedou katedry astronomie a astrofyziky. „Dochází k tomu, když se srazí dvě velké galaxie. Sloučení vytlačí veškerý plyn do velmi malé oblasti, což způsobí intenzivní explozi tvorby hvězd. Masivní hvězdy rychle shoří, a když zemřou, vypudí své plyny proudícími větry.“

Obrovské, vzácné a neznámého původu

Technologický pokrok umožnil ASKAP skenovat velké části oblohy ve velmi slabých mezích, díky čemuž byly jednotlivé rádiové okruhy (ORC) detekovatelné poprvé v roce 2019. ORC byly obrovské – stovky kilometrů v průměru, přičemž jeden kiloparsek se rovnal 3 260 světelným parsekům . let (pro referenci, mléčná dráha Galaxie je asi 30 kiloparseků).

Bylo navrženo několik teorií k vysvětlení původu ORC, včetně planetárních mlhovin a… Černá díra fúze, ale rádiová data sama o sobě nedokážou rozlišit mezi těmito teoriemi. Cowell a její spolupracovníci byli zaujati a domnívali se, že je možné, že rádiové prstence byly evolucí z pozdějších fází galaxií s výbuchem hvězd, které studovali. Začali zkoumat ORC 4 – první ORC objevený a pozorovatelný ze severní polokoule.

Simulace větrů poháněných hvězdnými explozemi ve třech různých časových obdobích, počínaje před 181 miliony let. Horní polovina každého obrázku ukazuje teplotu plynu, zatímco spodní polovina ukazuje radiální rychlost. Kredit: Cassandra Luchas / Space Telescope Science Institute

Do té doby byly ORC pozorovány pouze prostřednictvím rádiového vyzařování, bez jakýchkoli optických dat. Cowellův tým použil integrovaný polní spektrograf na observatoři WM Keck na Maunakea na Havaji, aby se podíval na ORC 4, která odhalila obrovské množství extrémně zářivého, horkého a kompaktního plynu – mnohem více, než je vidět v průměrné galaxii.

S více otázkami než odpověďmi se tým pustí do detektivní práce. Pomocí optických a infračervených zobrazovacích dat určili, že hvězdy v galaxii ORC 4 jsou staré asi 6 miliard let. „V této galaxii došlo k explozi tvorby hvězd, která však skončila asi před miliardou let,“ řekl Cowell.

Simulace a závěry

Cassandra Luchasová, postdoktorandka z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, která se specializuje na teoretickou stránku galaktických větrů a spoluautorka článku, provedla sadu numerických počítačových simulací pro replikaci velikosti a vlastností širokopásmového rádia. Do centrální galaxie zasáhl prstenec s velkým množstvím studeného plynu.

Jejich simulace ukázaly, že proudící galaktické větry vanou 200 milionů let, než se zastaví. Když vítr ustal, dopředný ráz dále vytlačoval vysokoteplotní plyn z galaxie a vytvořil rádiový prstenec, zatímco zpětný ráz poslal studený plyn padající zpět do galaxie. Simulace trvala více než 750 milionů let, v rámci odhadovaného hvězdného stáří 1 miliardy let pro ORC 4.

Počítačová simulace tryskového galaktického větru vystřeleného počáteční rychlostí 450 kilometrů za sekundu a hmotnostním průtokem 200 hmotností Slunce za rok, který vyfukuje plyn z galaxie po dobu 200 milionů let do okolního galaktického média. Levý panel ukazuje teplotu plynu a pravý panel ukazuje hustotu plynu. Tato simulace poskytuje možné vysvětlení vzniku jednotlivých rádiových obvodů. Kredit: Cassandra Luchas / Space Telescope Science Institute

„Aby to fungovalo, potřebujete vysokou rychlost odtoku, což znamená, že to velmi rychle vyvrhuje spoustu materiálu. A okolní plyn mimo galaxii musí mít nízkou hustotu, jinak se šok zastaví. To jsou dva klíčové faktory,“ řekl Cowell. „Ukázalo se, že galaxie, které jsme studovali, mají vysokou hmotnostní průtok. Jsou vzácné, ale existují. Opravdu si myslím, že to ukazuje na ORC vznikající z nějakého druhu proudícího galaktického větru.“

Nejen, že proudící větry mohou astronomům pomoci porozumět ORC, ORC mohou astronomům také pomoci porozumět proudícím větrům. „ORC nám poskytují způsob, jak vidět vítr prostřednictvím rádiových dat a spektroskopie,“ řekl Cowell.

„To nám může pomoci určit, jak časté jsou tyto intenzivně proudící galaktické větry a jaký je životní cyklus větru. Mohou nám také pomoci dozvědět se více o vývoji galaxií: Procházejí všechny masivní galaxie fází ORC? Proměňují se spirální galaxie ve elipsoidy, když přestanou tvořit hvězdy?“ ?Myslím, že je toho hodně, co se můžeme naučit o ORC a učit se od ORC.

Reference: „Ionizovaný plyn zasahuje více než 40 kiloparseků do jediné hostitelské galaxie rádiového okruhu“ Alison L. Coyle, Serena Perrotta, David S. N. Rupke, Cassandra Lochhas a Christy A. Tremonti, Alex Diamond Stanek, Drummond Fielding a James E. Geach, Ryan C. Hickox, John Moustakas, Gregory H. Rudnick, Paul Sell a Kelly E. Jen, 8. ledna 2024, Příroda.
doi: 10.1038/s41586-023-06752-8