Das Geheimnis hinter seltenen Funkschaltkreisen im Universum aufdecken

Galaktische Winde, die von explodierenden Sternen ausgehen, könnten die massiven Ringe erklären.

Es kommt nicht alle Tage vor, dass Astronomen fragen: „Was ist das?“ Schließlich sind die meisten beobachteten astronomischen Phänomene bekannt: Sterne, Planeten, Schwarze Löcher, Galaxien. Doch im Jahr 2019 hat das gerade fertiggestellte ASKAP-Teleskop (Australian Square Kilometer Array) etwas eingefangen, was noch nie jemand zuvor gesehen hatte: Radiowellenkreise, die so groß sind, dass sie in ihren Zentren ganze Galaxien enthalten.

Während die Astrophysik-Community versuchte herauszufinden, was diese Kreise waren, wollten sie es auch wissen Warum Es waren die Kreise. Nun glaubt ein Team unter der Leitung von Alison Coyle, Professorin für Astronomie und Astrophysik an der University of California San Diego, die Antwort gefunden zu haben: Die Kreise sind Hüllen, die durch fließende galaktische Winde gebildet werden, möglicherweise von massiven explodierenden Sternen, sogenannten Supernovas. Ihre Arbeit ist veröffentlicht in Natur.

Einzelne Radiokreise, wie ORC 1 im Bild oben, sind groß genug, um in ihren Zentren Galaxien zu enthalten, und haben einen Durchmesser von Hunderttausenden Lichtjahren. Quelle: © J. English (U. Manitoba)/EMU/MeerKAT/DES(CTIO)

Cowell und ihre Mitarbeiter haben massive „Starburst“-Galaxien untersucht, die diese extrem schnell fließenden Winde antreiben können. Starburst-Galaxien weisen eine außergewöhnlich hohe Sternentstehungsrate auf. Wenn Sterne sterben und explodieren, stoßen sie Gas aus dem Stern und seiner Umgebung in den interstellaren Raum aus. Wenn genügend Sterne gleichzeitig nahe beieinander explodieren, könnte die Kraft dieser Explosionen Gas aus der Galaxie selbst in den strömenden Wind drücken, der sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 2.000 Kilometern pro Sekunde fortbewegen kann.

„Diese Galaxien sind wirklich interessant“, sagte Cowell, der auch Vorsitzender der Abteilung für Astronomie und Astrophysik ist. „Es entsteht, wenn zwei große Galaxien kollidieren. Durch die Verschmelzung wird das gesamte Gas in einen sehr kleinen Bereich gedrückt, was zu einer heftigen Sternentstehungsexplosion führt. Massereiche Sterne verglühen schnell, und wenn sie sterben, stoßen sie ihre Gase in strömenden Winden aus.“

Riesig, selten und unbekannter Herkunft

Technologische Fortschritte ermöglichten es ASKAP, große Teile des Himmels innerhalb sehr schwacher Grenzen zu scannen, wodurch 2019 erstmals einzelne Radioschaltkreise (ORCs) erkennbar wurden. Die ORCs waren riesig – Hunderte von Kilometern breit, wobei ein Kiloparsec 3.260 Lichtparsecs entsprach . Jahre (als Referenz, Milchstraße Die Galaxie ist etwa 30 Kiloparsec groß.

Es wurden mehrere Theorien vorgeschlagen, um den Ursprung von ORCs zu erklären, darunter planetarische Nebel und … schwarzes Loch Fusionen, aber Radiodaten allein können nicht zwischen den Theorien unterscheiden. Cowell und ihre Mitarbeiter waren fasziniert und hielten es für möglich, dass die Radioringe eine Weiterentwicklung aus späteren Stadien der Starburst-Galaxien waren, die sie untersuchten. Sie begannen mit der Erforschung von ORC 4 – dem ersten ORC, der auf der Nordhalbkugel entdeckt und beobachtet werden konnte.

Simulation von Winden, die von Sternexplosionen in drei verschiedenen Zeiträumen angetrieben werden, beginnend vor 181 Millionen Jahren. Die obere Hälfte jedes Bildes zeigt die Gastemperatur, während die untere Hälfte die Radialgeschwindigkeit zeigt. Bildnachweis: Cassandra Luchas / Space Telescope Science Institute

Bis dahin wurden ORCs nur über ihre Radioemissionen beobachtet, ohne optische Daten. Cowells Team nutzte einen integrierten Feldspektrographen am WM-Keck-Observatorium auf Maunakea, Hawaii, um ORC 4 zu untersuchen, das eine riesige Menge extrem leuchtenden, heißen, kompakten Gases offenbarte – weit mehr, als in einer durchschnittlichen Galaxie zu sehen ist.

Mit mehr Fragen als Antworten macht sich das Team an die Detektivarbeit. Anhand optischer und infraroter Bilddaten ermittelten sie, dass die Sterne in der Galaxie ORC 4 etwa 6 Milliarden Jahre alt sind. „In dieser Galaxie gab es eine Explosion der Sternentstehung, die jedoch vor etwa einer Milliarde Jahren endete“, sagte Cowell.

Simulationen und Schlussfolgerungen

Cassandra Luchas, Postdoktorandin am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, die sich auf die theoretische Seite galaktischer Winde spezialisiert hat und Mitautorin des Artikels ist, führte eine Reihe numerischer Computersimulationen durch, um die Größe und Eigenschaften des Breitbandradios nachzubilden. Ein Ring, der eine große Menge kaltes Gas enthält und in die Zentralgalaxie geschleudert wird.

Ihre Simulationen zeigten, dass die fließenden galaktischen Winde 200 Millionen Jahre lang wehen, bevor sie aufhören. Als die Winde aufhörten, drückte der sich vorwärts bewegende Stoß weiterhin das Hochtemperaturgas aus der Galaxie und erzeugte einen Radioring, während der umgekehrte Stoß kaltes Gas zurück auf die Galaxie fallen ließ. Die Simulation dauerte mehr als 750 Millionen Jahre, was innerhalb des geschätzten Sternalters von 1 Milliarde Jahren für ORC 4 liegt.

Eine Computersimulation eines galaktischen Jetwinds, der mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 450 Kilometern pro Sekunde und einem Massenstrom von 200 Sonnenmassen pro Jahr abgefeuert wird und 200 Millionen Jahre lang Gas aus der Galaxie in das umgebende galaktische Medium bläst. Das linke Feld zeigt die Temperatur des Gases und das rechte Feld zeigt die Dichte des Gases. Diese Simulation liefert eine mögliche Erklärung für die Entstehung einzelner Funkkreise. Bildnachweis: Cassandra Luchas / Space Telescope Science Institute

„Damit dies funktioniert, ist eine hohe Massenausflussrate erforderlich, was bedeutet, dass sehr schnell viel Material ausgestoßen wird. Und das umgebende Gas außerhalb der Galaxie muss eine geringe Dichte haben, sonst hört der Schock auf. Das sind die beiden.“ Schlüsselfaktoren“, sagte Cowell. „Es stellt sich heraus, dass die von uns untersuchten Galaxien hohe Massenflussraten aufweisen. Sie sind selten, aber es gibt sie. Ich denke wirklich, dass dies darauf hindeutet, dass ORCs aus einer Art fließendem galaktischen Wind entstehen.“

Fließende Winde können Astronomen nicht nur dabei helfen, ORCs zu verstehen, ORCs können Astronomen auch dabei helfen, fließende Winde zu verstehen. „ORCs geben uns die Möglichkeit, Winde durch Radiodaten und Spektroskopie zu sehen“, sagte Cowell.

„Dies kann uns helfen zu bestimmen, wie häufig diese intensiv fließenden galaktischen Winde vorkommen und wie der Lebenszyklus des Windes abläuft. Sie können uns auch dabei helfen, mehr über die Galaxienentwicklung zu erfahren: Durchlaufen alle massereichen Galaxien eine ORC-Phase? Verwandeln sich Spiralgalaxien in.“ Ellipsoide, wenn sie aufhören, Sterne zu bilden?“ „Ich denke, wir können viel über ORCs und von ORCs lernen.“

Referenz: „Ionisiertes Gas erstreckt sich über mehr als 40 Kiloparsec in eine einzelne Radioschaltkreis-Wirtsgalaxie“ von Alison L. Coyle, Serena Perrotta, David S. N. Rupke, Cassandra Lochhas und Christy A. Tremonti, Alex Diamond Stanek, Drummond Fielding und James E. Geach, Ryan C. Hickox, John Moustakas, Gregory H. Rudnick, Paul Sell und Kelly E. Yen, 8. Januar 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-023-06752-8