Раскрытие тайны редких радиосхем во Вселенной

Галактические ветры, исходящие от взрывающихся звезд, могут объяснить появление массивных колец.

Не каждый день астрономы спрашивают: «Что это?» Ведь известно большинство наблюдаемых астрономических явлений: звезды, планеты, черные дыры, галактики. Но в 2019 году недавно построенный телескоп ASKAP (Австралийский квадратный километр) запечатлел то, чего никто никогда раньше не видел: радиоволновые круги, настолько большие, что в их центрах содержатся целые галактики.

Пока астрофизическое сообщество пыталось определить, что это за круги, они также хотели знать Почему Это были круги. Теперь команда под руководством профессора астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Сан-Диего Эллисон Койл считает, что они, возможно, нашли ответ: круги представляют собой оболочки, образованные текущими галактическими ветрами, возможно, из массивных взрывающихся звезд, известных как сверхновые. Их работы опубликованы в природа.

Отдельные радиокруги, такие как ORC 1 на изображении выше, достаточно велики, чтобы содержать галактики в своих центрах, и имеют диаметр в сотни тысяч световых лет. Источник: © J. English (Университет Манитобы)/EMU/MeerKAT/DES(CTIO)

Коуэлл и ее коллеги изучали массивные галактики со «звездообразованием», которые могут вызывать эти чрезвычайно быстрые ветры. Звездообразные галактики имеют исключительно высокую скорость звездообразования. Когда звезды умирают и взрываются, они выбрасывают газ из звезды и ее окружения в межзвездное пространство. Если одновременно взорвется достаточное количество звезд, сила этих взрывов может вытолкнуть газ из самой галактики в поток ветра, который может двигаться со скоростью до 2000 километров в секунду.

«Эти галактики действительно интересны», — сказал Коуэлл, который также является заведующим кафедрой астрономии и астрофизики. «Это происходит, когда две большие галактики сталкиваются. В результате слияния весь газ попадает на очень небольшую территорию, вызывая интенсивный взрыв звездообразования. Массивные звезды быстро сгорают, а когда они умирают, они выбрасывают свои газы в потоке ветра».

Огромный, редкий и неизвестного происхождения

Технологические достижения позволили ASKAP сканировать большие участки неба в очень слабых пределах, что позволило впервые в 2019 году обнаружить отдельные радиоцепи (ORC). ORC были огромными — сотни километров в поперечнике, где килопарсек равен 3260 световым парсекам. лет (для справки, Млечный Путь Размер галактики около 30 килопарсек).

Было предложено множество теорий, объясняющих происхождение ORC, включая планетарные туманности и… Черная дыра слияний, но одни лишь радиоданные не могут различить эти теории. Коуэлл и ее коллеги были заинтригованы и подумали, что, возможно, радиокольца произошли от более поздних стадий звездообразования в галактиках, которые они изучали. Они начали исследование ORC 4 — первого ORC, обнаруженного и наблюдаемого в Северном полушарии.

Моделирование ветров, вызванных взрывами звезд в три разных периода времени, начиная с 181 миллиона лет назад. Верхняя половина каждого изображения показывает температуру газа, а нижняя половина — лучевую скорость. Фото: Кассандра Лучас / Научный институт космического телескопа.

До этого ORC наблюдались только по их радиоизлучению, без каких-либо оптических данных. Команда Коуэлла использовала интегрированный полевой спектрограф в обсерватории В.М. Кека на Маунакеа, Гавайи, чтобы изучить ORC 4, которая обнаружила огромное количество чрезвычайно яркого, горячего и компактного газа — гораздо больше, чем наблюдается в средней галактике.

Имея больше вопросов, чем ответов, команда приступает к детективной работе. Используя данные оптических и инфракрасных изображений, они определили, что возраст звезд в галактике ORC 4 составляет около 6 миллиардов лет. «В этой галактике произошел взрыв звездообразования, но он закончился около миллиарда лет назад», — сказал Коуэлл.

Моделирование и выводы

Кассандра Лоххас, научный сотрудник Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, специализирующаяся на теоретической стороне галактических ветров и соавтор статьи, провела серию численных компьютерных симуляций, чтобы воспроизвести размер и свойства широкополосного радио. Кольцо, содержащее большое количество холодного газа, врезалось в центральную галактику.

Их моделирование показало, что текущие галактические ветры дуют в течение 200 миллионов лет, прежде чем прекращаются. Когда ветры прекратились, движущаяся вперед ударная волна продолжила выталкивать высокотемпературный газ из галактики и создала радиокольцо, в то время как обратная ударная волна отправила холодный газ обратно в галактику. Моделирование заняло более 750 миллионов лет, в пределах предполагаемого звездного возраста ORC 4 в 1 миллиард лет.

Компьютерное моделирование реактивного галактического ветра с начальной скоростью 450 километров в секунду и массовой скоростью потока 200 солнечных масс в год, который выбрасывает газ из галактики в течение 200 миллионов лет в окружающую галактическую среду. Левая панель показывает температуру газа, а правая панель показывает плотность газа. Это моделирование дает возможное объяснение происхождения отдельных радиосхем. Фото: Кассандра Лучас / Научный институт космического телескопа.

«Чтобы это работало, вам нужна высокая скорость истечения массы, а это означает, что происходит очень быстрый выброс большого количества материала. А окружающий газ за пределами галактики должен иметь низкую плотность, иначе ударная волна прекратится. Это два ключевые факторы», — сказал Коуэлл. «Оказывается, галактики, которые мы изучали, обладают высокой скоростью потока массы. Они редки, но они существуют. Я действительно думаю, что это указывает на то, что ORC возникают в результате своего рода течения галактического ветра».

Мало того, что текущие ветры могут помочь астрономам понять ORC, ORC также могут помочь астрономам понять текущие ветры. «ORC дают нам возможность видеть ветер с помощью радиоданных и спектроскопии», — сказал Коуэлл.

«Это может помочь нам определить, насколько распространены эти интенсивно текущие галактические ветры и каков жизненный цикл ветра. Они также могут помочь нам узнать больше об эволюции галактик: все ли массивные галактики проходят фазу ORC? Превращаются ли спиральные галактики в эллипсоиды, когда они перестают образовывать звезды?» «Я думаю, мы можем многому научиться об ORC и поучиться у ORC.

Ссылка: «Ионизированный газ простирается на расстояние более 40 килопарсек в единой родительской галактике с радиосхемой», Элисон Л. Койл, Серена Перротта, Дэвид С. Н. Рупке, Кассандра Лоххас и Кристи А. Тремонти, Алекс Даймонд Станек, Драммонд Филдинг и Джеймс Э. Гич, Райан С. Хикокс, Джон Мустакас, Грегори Х. Рудник, Пол Селл и Келли Э. Йена, 8 января 2024 г., природа.
дои: 10.1038/s41586-023-06752-8