LOFAR enthüllt Ursachen für doppelköpfige ORCs

Neue LOFAR-Durchmusterung entdeckt seltene doppelköpfige Odd Radio Circles im fernen Weltraum

Odd Radio Circles (ORCs) entstehen durch verschiedene mögliche Mechanismen, darunter Stoßwellen verschmelzender supermassereicher Schwarzer Löcher, intensive Sternentstehung, die Superwinde erzeugt, oder Jets aktiver Galaxienkerne, die von vorne betrachtet werden. Jüngste Ergebnisse des LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) zeigen, dass doppelköpfige ORCs, die durch zwei sich überschneidende Ringe gekennzeichnet sind, wahrscheinlich aus bipolaren Radiojets resultieren, die mit dem umgebenden Plasma in Galaxienhaufen interagieren. Diese Entdeckung unter der Leitung der Forscher M. Brüggen, F. de Gasperin und G. Di Gennaro erweitert unser Verständnis dieser seltenen, am Rand aufgehellten Radiostrukturen erheblich.

Das wachsende Rätsel um die Odd Radio Circles (ORCs) begann im Jahr 2019, als diese massiven, ringförmigen Strukturen erstmals entdeckt wurden und die Astronomen durch ihre kreisförmige Symmetrie und das Fehlen offensichtlicher optischer Gegenstücke vor Rätsel stellten. Diese Phänomene erstrecken sich typischerweise über etwa 1 Bogenminute am Himmel, eine Größenordnung, die in den kosmologischen Entfernungen, in denen sie gefunden werden, Hunderten von Kiloparsec entspricht. Bis zum Aufkommen hochempfindlicher Niederfrequenz-Durchmusterungen wie LOFAR blieben diese Strukturen aufgrund ihrer geringen Oberflächenhelligkeit und der spezifischen Frequenzbereiche, die zur Auflösung ihrer schwachen, diffusen Emissionen erforderlich sind, verborgen.

Was verursacht ein- und doppelköpfige ORCs in LOFAR-Durchmusterungen?

Einköpfige ORCs werden durch energetische Ereignisse auf galaktischer Ebene erzeugt, wie etwa Terminierungsschocks von galaktischen Winden oder die Überreste uralter Explosionen in massereichen Galaxien. Im Gegensatz dazu gelten doppelköpfige ORCs, die komplexe Doppelring-Morphologien aufweisen, als Ergebnis relativistischer magnetisierter Plasmajets, die von einem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch in entgegengesetzte Richtungen ausgehen. Diese Jets interagieren mit der lokalen Umgebung und bilden symmetrische, am Rand aufgehellte Strukturen, die bei Radiowellenlängen als überlappende oder benachbarte Ringe erscheinen.

Die von M. Brüggen und Kollegen angewandte Methodik beinhaltete eine anspruchsvolle Analyse der LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) Data Release 3 (DR3) bei 144 MHz. Um die Millionen von Radioquellen im Katalog zu sichten, nutzte das Team eine Kombination aus automatisierter Parameterfilterung und strenger manueller visueller Inspektion. Dieser hybride Ansatz ermöglichte es ihnen, 18 verschiedene Quellen mit ORC-ähnlichen Strukturen zu isolieren, darunter fünf neue einköpfige ORCs und zwei völlig neue doppelköpfige Entdeckungen. Durch den Abgleich dieser Ergebnisse mit Radiodaten bei 54 MHz und 1400 MHz konnten die Forscher kritische Kennzahlen wie Spektralindizes und physikalische Dimensionen ableiten.

Sind ORCs mit elliptischen Galaxien assoziiert?

Odd Radio Circles (ORCs) sind in der überwiegenden Mehrheit der beobachteten Fälle mit großen elliptischen Galaxien assoziiert, die typischerweise das geometrische Zentrum der Radioringe einnehmen. Während frühere Durchmusterungen bezüglich der Morphologie der Wirtsgalaxien nicht schlüssig waren, bestätigen die hochauflösenden Daten der LOFAR-Durchmusterung, dass diese massiven Ellipsen als „galaktische Anker“ für die Phänomene dienen. Das Vorhandensein dieser spezifischen Wirtsgalaxien deutet darauf hin, dass die energetischen Prozesse, die zur Erzeugung eines ORC erforderlich sind – wie etwa die Aktivität massiver Schwarzer Löcher – untrennbar mit der Entwicklung der massereichsten Galaxien des Universums verbunden sind.

Rotverschiebungsdaten dieser optischen Gegenstücke haben es dem Forschungsteam ermöglicht, die physikalische Größe dieser Strukturen genauer als je zuvor abzuschätzen. Die Studie fand eine bemerkenswerte Korrelation zwischen der physikalischen Größe der Odd Radio Circles (ORCs) und ihrem integrierten Spektralindex; insbesondere scheinen kleinere ORCs steile Radiospektren zu vermeiden. Diese Heterogenität deutet darauf hin, dass die ORC-Population vielfältiger sein könnte als bisher angenommen und aus mehreren Untertypen besteht, die durch unterschiedliche Umweltbedingungen oder Stadien der galaktischen Entwicklung geformt wurden. Die Forscher stellten fest, dass die Identifizierung der Wirtsgalaxie ein entscheidender Schritt ist, um zu bestimmen, ob der Ring eine Kugelschale oder eine projizierte Scheibe ist.

Wie hängen ORCs mit Jets supermassereicher Schwarzer Löcher zusammen?

ORCs stehen in direktem Zusammenhang mit Jets supermassereicher Schwarzer Löcher, die als primärer Antrieb fungieren, um magnetisiertes Plasma in das intergalaktische Medium zu schleudern. Diese relativistischen Jets erzeugen einen enormen Druck, wenn sie auf das umgebende thermische Plasma eines Galaxienhaufens treffen, was zu einem Terminierungsschock führt, der sich als kreisförmiger, am Rand aufgehellter Ring manifestiert. Diese Beziehung positioniert ORCs als visuelle Aufzeichnung der intensiven Rückkopplungszyklen zwischen einem supermassereichen Schwarzen Loch und seiner Wirtsumgebung über Millionen von Jahren.

Die Auswirkungen dieser Forschung auf das Gebiet der extragalaktischen Radioastronomie sind tiefgreifend, da sie aktuelle Theorien bezüglich der Ursprungsmodelle „Stoßwelle“ versus „Jet“ infrage stellen. Während einköpfige ORCs potenziell durch eine einzelne kugelförmige Stoßwelle aus einer Verschmelzung erklärt werden könnten, erfordern die in den LoTSS-DR3-Daten identifizierten doppelköpfigen ORCs einen komplexeren Entstehungsmechanismus. Die in diesen Doppelringen beobachtete Symmetrie stützt stark das bipolare Jet-Modell, bei dem die Energie entlang einer Achse kanalisiert wird, anstatt sich gleichmäßig in alle Richtungen auszudehnen. Dies deutet darauf hin, dass einige ORCs im Grunde herkömmliche Radiogalaxien sein könnten, die aus einer spezifischen Ausrichtung betrachtet werden, die ihre kreisförmigen Querschnitte hervorhebt.

Mit Blick auf die Zukunft wird die weitere Erforschung der Odd Radio Circles (ORCs) von noch tieferen und höher auflösenden Durchmusterungen abhängen. Die Arbeit des Teams bei der Erweiterung der bekannten Population auf 18 Quellen bietet eine dringend benötigte statistische Grundlage für zukünftige Modellierungen. Es wird erwartet, dass Anlagen der nächsten Generation, wie das Square Kilometre Array (SKA), Tausende dieser Strukturen entdecken werden, was es Astronomen ermöglicht, die Übergangsphasen der ORC-Formation zu beobachten. Mit verbesserter Auflösung könnte die wissenschaftliche Gemeinschaft schließlich klären, ob diese kosmischen Ringe gewöhnliche Merkmale aller massereichen Galaxien oder seltene Relikte der gewaltsamsten Ereignisse im Universum sind.

• Identifizierte ORC-Strukturen insgesamt: 18
• Gefundene doppelköpfige ORCs: 4 (einschließlich 2 Neuentdeckungen)
• Neue einköpfige ORCs: 5
• Frequenz der Durchmusterung: 144 MHz (LoTSS DR3)
• Primärer Wirtstyp: Massive elliptische Galaxien