Découvrir le mystère derrière les circuits radio rares de l'univers

Les vents galactiques provenant des étoiles explosives peuvent expliquer les anneaux massifs.

Ce n'est pas tous les jours que les astronomes disent : « Qu'est-ce que c'est ? Après tout, la plupart des phénomènes astronomiques observés sont connus : étoiles, planètes, trous noirs, galaxies. Mais en 2019, le nouveau télescope ASKAP (Australian Square Kilometer Array) a capturé quelque chose que personne n'avait jamais vu auparavant : des cercles d'ondes radio si grands qu'ils contiennent des galaxies entières en leur centre.

Alors que la communauté astrophysique essayait de déterminer ce qu'étaient ces cercles, elle voulait également savoir Pourquoi C'étaient les cercles. Aujourd'hui, une équipe dirigée par Allison Coyle, professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'Université de Californie à San Diego, pense avoir trouvé la réponse : les cercles sont des coquilles formées par des vents galactiques, peut-être à partir d'étoiles massives explosives connues sous le nom de supernovas. Leurs travaux sont publiés dans nature.

Les cercles radio individuels, comme ORC 1 dans l'image ci-dessus, sont suffisamment grands pour contenir des galaxies en leur centre et mesurent des centaines de milliers d'années-lumière. Source : © J. English (Université du Manitoba)/EMU/MeerKAT/DES(CTIO)

Cowell et ses collaborateurs ont étudié les galaxies massives en « étoile » capables de propulser ces vents extrêmement rapides. Les galaxies Starburst ont un taux de formation d’étoiles exceptionnellement élevé. Lorsque les étoiles meurent et explosent, elles expulsent du gaz de l’étoile et de ses environs dans l’espace interstellaire. Si suffisamment d’étoiles explosent à proximité les unes des autres en même temps, la force de ces explosions peut pousser le gaz hors de la galaxie elle-même et dans le vent, qui peut se déplacer à des vitesses allant jusqu’à 2 000 kilomètres par seconde.

« Ces galaxies sont vraiment intéressantes », a déclaré Cowell, qui est également président du Département d'astronomie et d'astrophysique. « Cela se produit lorsque deux grandes galaxies entrent en collision. La fusion pousse tout le gaz dans une très petite zone, provoquant une intense explosion de la formation d'étoiles. Les étoiles massives brûlent rapidement et lorsqu'elles meurent, elles expulsent leurs gaz dans des vents fluides. »

Énorme, rare et d'origine inconnue

Les progrès technologiques ont permis à ASKAP de scanner de grandes parties du ciel dans des limites très faibles, rendant les circuits radio individuels (ORC) détectables pour la première fois en 2019. Les ORC étaient énormes – des centaines de kilomètres de diamètre, avec un kiloparsec égal à 3 260 parsecs lumineux. . années (pour référence, Voie Lactée La galaxie fait environ 30 kiloparsecs).

Plusieurs théories ont été proposées pour expliquer l'origine des ORC, notamment les nébuleuses planétaires et… Le trou noir fusions, mais les données radio à elles seules ne peuvent pas faire la distinction entre les théories. Cowell et ses collaborateurs étaient intrigués et pensaient qu'il était possible que les anneaux radio soient une évolution des stades ultérieurs des galaxies en étoile qu'ils étudiaient. Ils ont commencé à rechercher ORC 4 – le premier ORC découvert et observable depuis l’hémisphère nord.

Simulation des vents provoqués par des explosions stellaires à trois périodes différentes, à partir d'il y a 181 millions d'années. La moitié supérieure de chaque image montre la température du gaz, tandis que la moitié inférieure montre la vitesse radiale. Crédit : Cassandra Luchas / Institut scientifique du télescope spatial

Jusqu’alors, les ORC n’étaient observés que par leurs émissions radio, sans aucune donnée optique. L'équipe de Cowell a utilisé un spectrographe de champ intégré à l'observatoire WM Keck de Maunakea, à Hawaï, pour observer ORC 4, qui a révélé une énorme quantité de gaz extrêmement lumineux, chaud et compact, bien plus que ce que l'on voit dans la galaxie moyenne.

Avec plus de questions que de réponses, l'équipe se met au travail de détective. À l’aide de données d’imagerie optique et infrarouge, ils ont déterminé que les étoiles de la galaxie ORC 4 ont environ 6 milliards d’années. « Il y a eu une explosion de formation d'étoiles dans cette galaxie, mais elle s'est terminée il y a environ un milliard d'années », a déclaré Cowell.

Simulations et conclusions

Cassandra Luchas, chercheuse postdoctorale au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, spécialisée dans l'aspect théorique des vents galactiques et co-auteur de l'article, a effectué un ensemble de simulations informatiques numériques pour reproduire la taille et les propriétés de la radio à large bande. Un anneau contenant une grande quantité de gaz froid a été projeté dans la galaxie centrale.

Leurs simulations ont montré que les vents galactiques soufflent pendant 200 millions d’années avant de s’arrêter. Lorsque les vents se sont arrêtés, le choc vers l'avant a continué à pousser le gaz à haute température hors de la galaxie et a créé un anneau radio, tandis que le choc inverse a envoyé du gaz froid retomber sur la galaxie. La simulation a duré plus de 750 millions d’années, dans l’âge stellaire estimé à 1 milliard d’années pour ORC 4.

Une simulation informatique d'un vent galactique à réaction tiré à une vitesse initiale de 450 kilomètres par seconde et un débit massique de 200 masses solaires par an, qui souffle du gaz hors de la galaxie pendant 200 millions d'années dans le milieu galactique environnant. Le panneau de gauche montre la température du gaz et le panneau de droite montre la densité du gaz. Cette simulation fournit une explication possible de l’origine des circuits radio individuels. Crédit : Cassandra Luchas / Institut scientifique du télescope spatial

« Pour que cela fonctionne, vous avez besoin d'un débit de sortie de masse élevé, ce qui signifie qu'il éjecte beaucoup de matière très rapidement. Et le gaz environnant à l'extérieur de la galaxie doit être de faible densité, sinon le choc s'arrêtera. Ce sont les deux facteurs clés », a déclaré Cowell. « Il s'avère que les galaxies que nous avons étudiées ont des débits massiques élevés. Ils sont rares, mais ils existent. Je pense vraiment que cela indique des ORC résultant d'une sorte de vent galactique. »

Non seulement les vents fluides peuvent aider les astronomes à comprendre les ORC, mais les ORC peuvent également aider les astronomes à comprendre les vents fluides. « Les ORC nous permettent de voir les vents grâce aux données radio et à la spectroscopie », a déclaré Cowell.

« Cela peut nous aider à déterminer la fréquence de ces vents galactiques intenses et quel est le cycle de vie du vent. Ils peuvent également nous aider à en apprendre davantage sur l'évolution des galaxies : toutes les galaxies massives passent-elles par une phase ORC ? Les galaxies spirales se transforment-elles en des ellipsoïdes lorsqu'ils arrêtent de former des étoiles ? » Je pense que nous pouvons apprendre beaucoup de choses sur les ORC et apprendre des ORC.

Référence : « Le gaz ionisé s'étend sur plus de 40 kiloparsecs dans une galaxie hôte à circuit radio unique » par Alison L. Coyle, Serena Perrotta, David S.N. Rupke, Cassandra Lochhas et Christy A. Tremonti, Alex Diamond Stanek, Drummond Fielding et James E. Geach, Ryan C. Hickox, John Moustakas, Gregory H. Rudnick, Paul Sell et Kelly E. Yen, 8 janvier 2024, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-023-06752-8