Het mysterie achter zeldzame radiocircuits in het universum blootleggen

Galactische winden die uit exploderende sterren stromen, kunnen de massieve ringen verklaren.

Het gebeurt niet elke dag dat astronomen zeggen: “Wat is dit?” De meeste waargenomen astronomische verschijnselen zijn immers bekend: sterren, planeten, zwarte gaten, sterrenstelsels. Maar in 2019 heeft de onlangs voltooide ASKAP-telescoop (Australian Square Kilometre Array) iets vastgelegd dat nog nooit eerder was gezien: radiogolfcirkels die zo groot zijn dat ze hele sterrenstelsels in hun middelpunten bevatten.

Terwijl de astrofysica-gemeenschap probeerde te bepalen wat deze cirkels waren, wilden ze dat ook weten Waarom Het waren de cirkels. Nu denkt een team onder leiding van Alison Coyle, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Californië in San Diego, dat ze misschien het antwoord hebben gevonden: de cirkels zijn granaten gevormd door stromende galactische winden, misschien van massieve exploderende sterren die bekend staan ​​als supernova's. Hun werk is gepubliceerd in natuur.

Individuele radiocirkels, zoals ORC 1 in de afbeelding hierboven, zijn groot genoeg om sterrenstelsels in hun middelpunt te bevatten en hebben een doorsnede van honderdduizenden lichtjaren. Bron: © J. English (U. Manitoba)/EMU/MeerKAT/DES(CTIO)

Cowell en haar medewerkers hebben enorme ‘starburst’-stelsels bestudeerd die deze extreem snel stromende winden kunnen voortstuwen. Starburst-sterrenstelsels hebben een uitzonderlijk hoge stervormingssnelheid. Wanneer sterren sterven en exploderen, verdrijven ze gas uit de ster en zijn omgeving de interstellaire ruimte in. Als er voldoende sterren tegelijkertijd dicht bij elkaar ontploffen, kan de kracht van deze explosies gas uit het sterrenstelsel zelf duwen en in de stromende wind terechtkomen, die zich met snelheden tot wel 2.000 kilometer per seconde kan voortbewegen.

‘Deze sterrenstelsels zijn echt interessant’, zegt Cowell, tevens voorzitter van de afdeling Astronomie en Astrofysica. ‘Het komt voor wanneer twee grote sterrenstelsels met elkaar botsen. Door de samensmelting wordt al het gas naar een heel klein gebied geduwd, wat een intense explosie van stervorming veroorzaakt. Massieve sterren verbranden snel, en wanneer ze sterven, stoten ze hun gassen uit in stromende winden.’

Enorm, zeldzaam en van onbekende oorsprong

Dankzij de technologische vooruitgang kon ASKAP grote delen van de hemel binnen zeer zwakke grenzen scannen, waardoor in 2019 voor het eerst individuele radiocircuits (ORC’s) detecteerbaar werden. De ORC’s waren enorm: honderden kilometers in doorsnee, met één kiloparsec gelijk aan 3.260 licht-parsec. . jaar (ter referentie, Melkweg Het sterrenstelsel is ongeveer 30 kiloparsec groot).

Er zijn meerdere theorieën voorgesteld om de oorsprong van ORC's te verklaren, waaronder planetaire nevels en… Zwart gat fusies, maar radiogegevens alleen kunnen geen onderscheid maken tussen de theorieën. Cowell en haar medewerkers waren geïntrigeerd en dachten dat het mogelijk was dat de radioringen een evolutie waren van latere stadia van de starburst-stelsels die ze bestudeerden. Ze begonnen onderzoek te doen naar ORC 4 – de eerste ORC die werd ontdekt en waarneembaar vanaf het noordelijk halfrond.

Simulatie van winden aangedreven door stellaire explosies in drie verschillende tijdsperioden, beginnend bij 181 miljoen jaar geleden. De bovenste helft van elke afbeelding toont de gastemperatuur, terwijl de onderste helft de radiale snelheid toont. Krediet: Cassandra Luchas / Space Telescope Science Institute

Tot dan toe werden ORC's alleen waargenomen via hun radio-uitzendingen, zonder enige optische gegevens. Het team van Cowell gebruikte een geïntegreerde veldspectrograaf van het WM Keck Observatorium op Maunakea, Hawaï, om naar ORC 4 te kijken, dat een enorme hoeveelheid extreem lichtgevend, heet, compact gas onthulde – veel meer dan in het gemiddelde sterrenstelsel te zien is.

Met meer vragen dan antwoorden gaat het team aan het speurwerk. Met behulp van optische en infraroodbeeldgegevens hebben ze vastgesteld dat de sterren in het ORC 4-stelsel ongeveer 6 miljard jaar oud zijn. ‘Er was een explosie van stervorming in dit sterrenstelsel, maar die eindigde ongeveer een miljard jaar geleden’, zegt Cowell.

Simulaties en conclusies

Cassandra Luchas, een postdoctoraal onderzoeker aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, gespecialiseerd in de theoretische kant van galactische winden en co-auteur van het artikel, voerde een reeks numerieke computersimulaties uit om de omvang en eigenschappen van breedbandradio te repliceren. Een ring, inclusief een grote hoeveelheid koud gas, schokte het centrale sterrenstelsel binnen.

Uit hun simulaties bleek dat de stromende galactische winden 200 miljoen jaar lang waaien voordat ze stoppen. Toen de wind stopte, bleef de voorwaarts bewegende schok het gas met een hoge temperatuur uit de Melkweg duwen en creëerde een radioring, terwijl de omgekeerde schok ervoor zorgde dat koud gas terugviel op de Melkweg. De simulatie duurde meer dan 750 miljoen jaar, binnen de geschatte stellaire leeftijd van 1 miljard jaar voor ORC 4.

Een computersimulatie van een galactische straalwind die wordt afgevuurd met een beginsnelheid van 450 kilometer per seconde en een massastroomsnelheid van 200 zonsmassa's per jaar, waardoor gas gedurende 200 miljoen jaar uit het sterrenstelsel naar het omringende galactische medium wordt geblazen. Het linkerpaneel toont de temperatuur van het gas en het rechterpaneel toont de dichtheid van het gas. Deze simulatie biedt een mogelijke verklaring voor het ontstaan ​​van individuele radiocircuits. Krediet: Cassandra Luchas / Space Telescope Science Institute

‘Om dit te laten werken, heb je een hoge uitstroomsnelheid nodig, wat betekent dat er heel snel veel materiaal wordt uitgestoten. En het omringende gas buiten het sterrenstelsel moet een lage dichtheid hebben, anders stopt de schok. Dat zijn de twee. sleutelfactoren”, aldus Cowell. “Het blijkt dat de sterrenstelsels die we hebben bestudeerd hoge massastroomsnelheden hebben. Ze zijn zeldzaam, maar ze bestaan ​​wel. Ik denk echt dat dit wijst op ORC's die voortkomen uit een soort stromende galactische wind.”

Niet alleen kunnen stromende winden astronomen helpen om ORC’s te begrijpen, ORC’s kunnen astronomen ook helpen om stromende winden te begrijpen. “ORC's bieden ons een manier om wind te zien via radiogegevens en spectroscopie”, zei Cowell.

‘Dit kan ons helpen bepalen hoe vaak deze intens stromende galactische winden voorkomen en wat de levenscyclus van de wind is. Ze kunnen ons ook helpen meer te leren over de evolutie van sterrenstelsels: gaan alle massieve sterrenstelsels door een ORC-fase? ellipsoïden wanneer ze stoppen met het vormen van sterren?” ?Ik denk dat we veel kunnen leren over ORC's en van ORC's.

Referentie: “Geïoniseerd gas breidt zich meer dan 40 kiloparsec uit in een sterrenstelsel met een enkel radiocircuit” door Alison L. Coyle, Serena Perrotta, David SN Rupke, Cassandra Lochhas en Christy A. Tremonti, Alex Diamond Stanek, Drummond Fielding en James E. Geach, Ryan C. Hickox, John Moustakas, Gregory H. Rudnick, Paul Sell en Kelly E. Yen, 8 januari 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-023-06752-8