Космическая странность: раскрытие происхождения редких радиокругов во Вселенной

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

Когда сообщество астрофизиков пыталось определить, что это за круги, они также хотели знать, «почему» эти круги. Теперь команда под руководством профессора астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Сан-Диего Элисон Койл полагает, что они, возможно, нашли ответ: круги представляют собой оболочки, образованные исходящими галактическими ветрами, возможно, из массивных взрывающихся звезд, известных как сверхновые. Их работа опубликована в журнале Nature. 

Койл и ее коллеги изучали массивные галактики со «звездообразованием», которые могут вызывать сверхбыстрые исходящие ветры. Звездообразные галактики имеют исключительно высокую скорость звездообразования. Когда звезды умирают и взрываются, они выбрасывают газ из звезды и ее окружения обратно в межзвездное пространство. Если достаточное количество звезд взорвется рядом друг с другом одновременно, сила этих взрывов может вытолкнуть газ из самой галактики в потоки ветра, которые могут распространяться со скоростью до 2000 километров в секунду. 

«Эти галактики действительно интересны», — сказала Койл. «Они происходят, когда две большие галактики сталкиваются. В результате слияния весь газ попадает в очень маленькую область, что вызывает интенсивный взрыв звездообразования. Массивные звезды быстро сгорают, а когда они умирают, они выбрасывают свой газ в виде выходящих ветров». 

Технологические разработки позволили ASKAP сканировать большие участки неба в очень слабых пределах, что позволило впервые в 2019 году обнаружить странные радиокруги (ORC). ORC были огромными — сотни килопарсеков в поперечнике, где килопарсек равен 3260 световым годам (для справки, галактика Млечный Путь имеет поперечник около 30 килопарсек). 

Было предложено множество теорий для объяснения происхождения ORC, включая планетарные туманности и слияния черных дыр, но одни только радиоданные не могли различить эти теории. 

Койл и ее коллеги были заинтригованы и подумали, что, возможно, радиокольца являются результатом более поздних стадий звездообразования в галактиках, которые они изучали. Они начали изучать ORC 4 — первый обнаруженный ORC, наблюдаемый из Северного полушария. 

До этого ORC наблюдались только по их радиоизлучению, без каких-либо оптических данных.

Команда Койл использовала интегральный полевой спектрограф в обсерватории В.М. Кека на Маунакеа, Гавайи, чтобы изучить ORC 4, которая обнаружила огромное количество очень яркого, нагретого и сжатого газа — гораздо больше, чем наблюдается в средней галактике.

Имея больше вопросов, чем ответов, команда приступила к детективной работе. Используя данные оптических и инфракрасных изображений, они определили, что возраст звезд внутри галактики ORC 4 составляет около 6 миллиардов лет. «В этой галактике произошел всплеск звездообразования, но он закончился примерно миллиард лет назад», — заявила Койл. 

Кассандра Лоххас, научный сотрудник Гарвардского и Смитсоновского центра астрофизики, специализирующаяся на теоретической стороне галактических ветров и соавтор статьи, провела серию численных компьютерных симуляций, чтобы воспроизвести размер и свойства крупномасштабного радиоизлучения, включая большое количество шокированного холодного газа в центральной галактике. 

Ее моделирование показало, что исходящие галактические ветры дуют в течение 200 миллионов лет, прежде чем исчезнуть. Когда ветер прекратился, движущаяся вперед ударная волна продолжила выталкивать высокотемпературный газ из галактики и создала радиокольцо, в то время как обратная ударная волна отправила более холодный газ обратно в галактику. Моделирование длилось более 750 миллионов лет — в пределах примерного звездного возраста ORC 4 в 1 миллиард лет. 

«Чтобы эта работа работала, вам нужна высокая скорость истечения массы, то есть очень быстрый выброс большого количества материала. А окружающий газ сразу за пределами галактики должен иметь низкую плотность, иначе ударная волна остановится. Это два ключевых фактора», - пояснила Койл. «Оказывается, галактики, которые мы изучали, имеют такие скорости оттока большой массы. Они редки, но они существуют. Я действительно думаю, что это указывает на то, что ORC возникают из каких-то исходящих галактических ветров». 

Мало того, что исходящие ветры могут помочь астрономам понять ORC, но ORC также могут помочь астрономам понять исходящие ветры. 

«ORC дают нам возможность «видеть» ветры с помощью радиоданных и спектроскопии», — сказала Койл. «Это может помочь нам определить, насколько распространены эти экстремальные исходящие галактические ветры и каков жизненный цикл ветра. Они также могут помочь нам узнать больше об эволюции галактик: все ли массивные галактики проходят фазу ORC? Становятся ли спиральные галактики эллиптическими, когда они больше не образуют звезды? Я думаю, мы можем многому научиться у ORC и у ORC».