Descubriendo el misterio detrás de raros circuitos de radio en el universo

Los vientos galácticos que fluyen desde las estrellas en explosión pueden explicar los anillos masivos.

No todos los días los astrónomos preguntan: «¿Qué es esto?» Después de todo, se conocen la mayoría de los fenómenos astronómicos observados: estrellas, planetas, agujeros negros, galaxias. Pero en 2019, el recién terminado telescopio ASKAP (Australian Square Kilometer Array) capturó algo que nadie había visto antes: círculos de ondas de radio tan grandes que contienen galaxias enteras en sus centros.

Mientras la comunidad de astrofísica intentaba determinar qué eran estos círculos, también querían saber Por qué Fueron los círculos. Ahora, un equipo dirigido por Alison Coyle, profesora de astronomía y astrofísica de la Universidad de California en San Diego, cree haber encontrado la respuesta: los círculos son capas formadas por vientos galácticos que fluyen, tal vez a partir de estrellas masivas en explosión conocidas como supernovas. Su trabajo está publicado en naturaleza.

Los círculos de radio individuales, como ORC 1 en la imagen de arriba, son lo suficientemente grandes como para contener galaxias en sus centros y tienen cientos de miles de años luz de diámetro. Fuente: © J. English (U. Manitoba)/EMU/MeerKAT/DES(CTIO)

Cowell y sus colaboradores han estado estudiando galaxias masivas con «estallidos estelares» que pueden impulsar estos vientos que fluyen extremadamente rápido. Las galaxias con estallido estelar tienen una tasa excepcionalmente alta de formación de estrellas. Cuando las estrellas mueren y explotan, expulsan gas de la estrella y sus alrededores al espacio interestelar. Si suficientes estrellas explotan juntas al mismo tiempo, la fuerza de estas explosiones podría expulsar el gas de la propia galaxia hacia el viento, que puede viajar a velocidades de hasta 2.000 kilómetros por segundo.

«Estas galaxias son realmente interesantes», dijo Cowell, quien también es presidente del Departamento de Astronomía y Astrofísica. «Ocurre cuando dos grandes galaxias chocan. La fusión empuja todo el gas hacia un área muy pequeña, provocando una intensa explosión de formación estelar. Las estrellas masivas se queman rápidamente y, cuando mueren, expulsan sus gases en forma de vientos.»

Enorme, raro y de origen desconocido

Los avances tecnológicos permitieron a ASKAP escanear grandes porciones del cielo dentro de límites muy débiles, lo que hizo que los circuitos de radio individuales (ORC) fueran detectables por primera vez en 2019. Los ORC eran enormes: cientos de kilómetros de ancho, con un kiloparsec equivalente a 3260 parsecs de luz. . años (como referencia, vía Láctea La galaxia mide unos 30 kiloparsecs).

Se han propuesto múltiples teorías para explicar el origen de los ORC, incluidas las nebulosas planetarias y… Agujero negro fusiones, pero los datos de radio por sí solos no pueden distinguir entre las teorías. Cowell y sus colaboradores estaban intrigados y pensaron que era posible que los anillos de radio fueran una evolución de etapas posteriores de las galaxias con formación estelar que estaban estudiando. Comenzaron a investigar ORC 4, el primer ORC descubierto y observable desde el hemisferio norte.

Simulación de vientos impulsados ​​por explosiones estelares en tres periodos de tiempo diferentes, comenzando hace 181 millones de años. La mitad superior de cada imagen muestra la temperatura del gas, mientras que la mitad inferior muestra la velocidad radial. Crédito: Cassandra Luchas / Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial

Hasta entonces, los ORC sólo se habían observado a través de sus emisiones de radio, sin ningún dato óptico. El equipo de Cowell utilizó un espectrógrafo de campo integrado en el Observatorio WM Keck en Maunakea, Hawaii, para observar ORC 4, que reveló una enorme cantidad de gas extremadamente luminoso, caliente y compacto, mucho más de lo que se ve en una galaxia promedio.

Con más preguntas que respuestas, el equipo se pone manos a la obra. Utilizando datos de imágenes ópticas e infrarrojas, determinaron que las estrellas dentro de la galaxia ORC 4 tienen aproximadamente 6 mil millones de años. «Hubo una explosión de formación estelar en esta galaxia, pero terminó hace unos mil millones de años», dijo Cowell.

Simulaciones y conclusiones

Cassandra Luchas, becaria postdoctoral en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica que se especializa en el lado teórico de los vientos galácticos y coautora del artículo, realizó una serie de simulaciones numéricas por computadora para replicar el tamaño y las propiedades de la radio de banda ancha. Un anillo, que incluía una gran cantidad de gas frío, impactó en la galaxia central.

Sus simulaciones mostraron que los vientos galácticos soplan durante 200 millones de años antes de detenerse. Cuando los vientos cesaron, el choque que avanzaba continuó empujando el gas de alta temperatura fuera de la galaxia y creó un anillo de radio, mientras que el choque inverso envió gas frío cayendo de regreso a la galaxia. La simulación tomó más de 750 millones de años, dentro de la edad estelar estimada de mil millones de años para ORC 4.

Una simulación por computadora de un viento galáctico en chorro disparado a una velocidad inicial de 450 kilómetros por segundo y un caudal másico de 200 masas solares por año, que expulsa gas de la galaxia durante 200 millones de años hacia el medio galáctico circundante. El panel izquierdo muestra la temperatura del gas y el panel derecho muestra la densidad del gas. Esta simulación proporciona una posible explicación del origen de los circuitos de radio individuales. Crédito: Cassandra Luchas / Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial

«Para que esto funcione, se necesita una tasa de salida de masa alta, lo que significa que se está expulsando una gran cantidad de material muy rápidamente. Y el gas circundante fuera de la galaxia tiene que ser de baja densidad, de lo contrario el choque se detendrá. Esos son los dos factores clave», afirmó Cowell. «Resulta que las galaxias que hemos estado estudiando tienen altas tasas de flujo de masa. Son raras, pero existen. Realmente creo que esto apunta a que los ORC surgen de algún tipo de viento galáctico que fluye».

Los vientos que fluyen no solo pueden ayudar a los astrónomos a comprender los ORC, sino que los ORC también pueden ayudar a los astrónomos a comprender los vientos que fluyen. «Los ORC nos brindan una manera de ver los vientos a través de datos de radio y espectroscopia», dijo Cowell.

«Esto puede ayudarnos a determinar qué tan comunes son estos vientos galácticos que fluyen intensamente y cuál es el ciclo de vida del viento. También pueden ayudarnos a aprender más sobre la evolución de las galaxias: ¿todas las galaxias masivas pasan por una fase ORC? ¿Las galaxias espirales se convierten en ¿Elipsoides cuando dejan de formar estrellas?» «Creo que hay mucho que podemos aprender sobre los ORC y aprender de los ORC.

Referencia: “El gas ionizado se extiende más de 40 kiloparsecs en una galaxia anfitriona de un solo circuito de radio” por Alison L. Coyle, Serena Perrotta, David S. N. Rupke, Cassandra Lochhas y Christy A. Tremonti, Alex Diamond Stanek, Drummond Fielding y James E. Geach, Ryan C. Hickox, John Moustakas, Gregory H. Rudnick, Paul Sell y Kelly E. Yen, 8 de enero de 2024, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06752-8