Das Geheimnis hinter den seltenen Radiokreisen des Universums wird enthüllt

Ausströmende galaktische Winde explodierender Sterne könnten die riesigen Ringe erklären.

Es kommt nicht jeden Tag vor, dass Astronomen fragen: „Was ist das?“ Schließlich sind die meisten beobachteten astronomischen Phänomene bekannt: Sterne, Planeten, Schwarze Löcher und Galaxien. Doch im Jahr 2019 entdeckte das gerade fertiggestellte ASKAP-Teleskop (Australian Square Kilometre Array Pathfinder) etwas, was noch niemand zuvor gesehen hatte: Radiowellenkreise, die so groß waren, dass sie in ihren Zentren ganze Galaxien enthielten.

Als die Astrophysiker herauszufinden versuchten, was diese Kreise waren, wollten sie es auch wissen Warum Die Kreise waren. Jetzt glaubt ein Team unter der Leitung von Alison Coil, Professorin für Astronomie und Astrophysik an der University of California San Diego, die Antwort gefunden zu haben: Die Kreise sind Hüllen, die durch ausströmende galaktische Winde gebildet werden, möglicherweise von massiven explodierenden Sternen, die als Supernovae bekannt sind. Ihre Arbeit ist veröffentlicht in Natur.

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

Coil und ihre Mitarbeiter haben massive „Starburst“-Galaxien untersucht, die diese ultraschnellen ausströmenden 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 zurück in den interstellaren Raum. Wenn genügend Sterne gleichzeitig nahe beieinander explodieren, kann die Kraft dieser Explosionen das Gas aus der Galaxie selbst in ausströmende Winde drücken, die sich mit bis zu 2.000 Kilometern pro Sekunde ausbreiten können.

„Diese Galaxien sind wirklich interessant“, sagte Coil, der auch Vorsitzender der Abteilung für Astronomie und Astrophysik ist. „Sie entstehen, wenn zwei große Galaxien kollidieren. Durch die Verschmelzung wird das gesamte Gas in eine sehr kleine Region gedrückt, was zu einem intensiven Ausbruch der Sternentstehung führt. Massereiche Sterne brennen schnell aus und wenn sie sterben, stoßen sie ihr Gas als ausströmende Winde aus.“

Massiv, selten und unbekannter Herkunft

Technologische Entwicklungen ermöglichten es ASKAP, große Teile des Himmels in sehr schwachen Grenzen zu scannen, was 2019 erstmals die Entdeckung von Odd Radio Circles (ORCs) ermöglichte. Die ORCs waren riesig – Hunderte von Kiloparsec im Durchmesser, wobei ein Kiloparsec 3.260 Lichtpunkten entspricht. Jahre (als Referenz die Milchstraße Die Galaxie hat einen Durchmesser von etwa 30 Kiloparsec.

Es wurden mehrere Theorien vorgeschlagen, um den Ursprung von ORCs zu erklären, darunter planetarische Nebel und schwarzes Loch Fusionen, aber Funkdaten allein konnten nicht zwischen den Theorien unterscheiden. Coil und ihre Mitarbeiter waren fasziniert und hielten es für möglich, dass die Radioringe eine Entwicklung aus den späteren Stadien der Starburst-Galaxien waren, die sie untersucht hatten. Sie begannen mit der Untersuchung von ORC 4 – dem ersten entdeckten ORC, der von der nördlichen Hemisphäre aus beobachtet werden kann.

Eine Simulation von durch Sternexplosionen verursachten Winden in drei verschiedenen Zeiträumen, beginnend bei 181 Millionen Jahren. Die obere Hälfte jedes Bildes zeigt die Gastemperatur, während die untere Hälfte die Radialgeschwindigkeit zeigt. Bildnachweis: Cassandra Lochhaas / Space Telescope Science Institute

Bisher wurden ORCs nur über ihre Radioemissionen beobachtet, ohne optische Daten. Coils Team nutzte einen Integralfeldspektrographen am WM-Keck-Observatorium auf Maunakea, Hawaii, um ORC 4 zu untersuchen, das eine enorme Menge an stark leuchtendem, erhitztem, komprimiertem Gas aufdeckte – weit mehr, als in einer durchschnittlichen Galaxie zu sehen ist.

Da es mehr Fragen als Antworten gab, machte 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 waren. „In dieser Galaxie gab es einen Ausbruch der Sternentstehung, der jedoch vor etwa einer Milliarde Jahren endete“, erklärte Coil.

Simulationen und Schlussfolgerungen

Cassandra Lochhaas, Postdoktorandin am Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics, spezialisiert auf die theoretische Seite galaktischer Winde und Mitautorin des Artikels, führte eine Reihe numerischer Computersimulationen durch, um die Größe und Eigenschaften des großen Radios nachzubilden Ring, einschließlich der großen Menge an schockiertem, kühlem Gas in der Zentralgalaxie.

Ihre Simulationen zeigten, dass ausströmende galaktische Winde 200 Millionen Jahre lang wehten, bevor sie abschalteten. Als der Wind aufhörte, schleuderte ein nach vorne gerichteter Stoß weiter heißes Gas aus der Galaxie und erzeugte einen Radioring, während ein rückwärts gerichteter Stoß kühleres Gas zurück auf die Galaxie fallen ließ. Die Simulation fand über einen Zeitraum von 750 Millionen Jahren statt – innerhalb des geschätzten stellaren Alters von ORC 4 von einer Milliarde Jahren.

Computersimulation eines ausströmenden galaktischen Windes mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 450 Kilometern pro Sekunde und einer Massenausflussrate von 200 Sonnenmassen pro Jahr, der 200 Millionen Jahre lang Gas aus der Galaxie in das umgebende zirkumgalaktische Medium bläst. Das linke Feld zeigt die Gastemperatur und das rechte Feld zeigt die Gasdichte. Diese Simulation liefert eine mögliche Erklärung für den Ursprung ungerader Funkkreise. Bildnachweis: Cassandra Lochhaas / 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 direkt außerhalb der Galaxie muss eine geringe Dichte haben, sonst kommt der Schock zum Stillstand. Das sind die beiden Schlüsselfaktoren“, erklärte Coil. „Es stellt sich heraus, dass die Galaxien, die wir untersucht haben, diese hohen Massenausflussraten aufweisen. Sie sind selten, aber es gibt sie. Ich denke wirklich, dass dies darauf hindeutet, dass ORCs von einer Art ausströmender galaktischer Winde stammen.“

Ausströmende Winde können Astronomen nicht nur dabei helfen, ORCs zu verstehen, sondern ORCs können Astronomen auch dabei helfen, ausströmende Winde zu verstehen. „ORCs bieten uns die Möglichkeit, die Winde durch Funkdaten und Spektroskopie zu ‚sehen‘“, sagte Coil.

„Dies kann uns helfen zu bestimmen, wie häufig diese extrem ausströmenden galaktischen Winde vorkommen und wie der Windlebenszyklus abläuft.“ Sie können uns auch dabei helfen, mehr über die galaktische Entwicklung zu erfahren: Durchlaufen alle massereichen Galaxien eine ORC-Phase? Werden Spiralgalaxien elliptisch, wenn sie keine Sterne mehr bilden? Ich denke, wir können viel über ORCs lernen und von ORCs lernen.“

Referenz: „Ionisiertes Gas erstreckt sich über 40 kpc in einer seltsamen Radiokreis-Wirtsgalaxie“ von Alison L. Coil, Serena Perrotta, David SN Rupke, Cassandra Lochhaas, Christy A. Tremonti, Aleks Diamond-Stanic, Drummond Fielding, James E. Geach , Ryan C. Hickox, John Moustakas, Gregory H. Rudnick, Paul Sell und Kelly E. Whalen, 8. Januar 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06752-8