LOFAR onthult oorzaken van tweekoppige ORC's

Nieuwe LOFAR-survey onthult zeldzame 'double-headed' Odd Radio Circles in de verre ruimte

Odd Radio Circles (ORCs) worden veroorzaakt door verschillende mogelijke mechanismen, waaronder schokgolven van samensmeltende superzware zwarte gaten, intense stervorming die superwinden creëert, of jets van actieve galactische kernen die recht van voren worden bekeken. Recente bevindingen van de LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) onthullen dat double-headed ORCs, gekenmerkt door dubbele elkaar kruisende ringen, waarschijnlijk het resultaat zijn van bipolaire radio-jets die een wisselwerking aangaan met het omringende plasma in clusters van sterrenstelsels. Deze ontdekking, onder leiding van de onderzoekers M. Brüggen, F. de Gasperin en G. Di Gennaro, vergroot ons begrip van deze zeldzame radiostructuren met heldere randen aanzienlijk.

Het groeiende mysterie van Odd Radio Circles (ORCs) begon in 2019 toen deze enorme, ringvormige structuren voor het eerst werden gedetecteerd, waarbij astronomen werden verrast door hun cirkelvormige symmetrie en het ontbreken van duidelijke optische tegenhangers op dat moment. Deze verschijnselen beslaan doorgaans ongeveer 1 boogminuut aan de hemel, een schaal die honderden kiloparsecs vertegenwoordigt op de kosmologische afstanden waarop ze worden gevonden. Tot de komst van zeer gevoelige, laagfrequente surveys zoals LOFAR, bleven deze structuren verborgen vanwege hun lage oppervlaktehelderheid en de specifieke frequentiebereiken die nodig zijn om hun zwakke, diffuse emissies te onderscheiden.

Wat veroorzaakt single- en double-headed ORCs in LOFAR-surveys?

Single-headed ORCs worden geproduceerd door energetische gebeurtenissen op galactische schaal, zoals terminatieschokken van galactische winden of de overblijfselen van oude explosies in massieve sterrenstelsels. In contrast worden double-headed ORCs, die complexe morfologieën met dubbele cirkels vertonen, beschouwd als het resultaat van relativistische gemagnetiseerde plasma-jets die in tegengestelde richtingen uitstoten vanuit een centraal superzwaar zwart gat. Deze jets reageren met de lokale omgeving en vormen symmetrische structuren met heldere randen die op radiogolflengten verschijnen als overlappende of aangrenzende ringen.

De methodologie van M. Brüggen en collega's omvatte een geavanceerde analyse van de LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) data release 3 (DR3) op 144 MHz. Om door de miljoenen radiobronnen in de catalogus te navigeren, gebruikte het team een combinatie van geautomatiseerde parameterfiltering en grondige handmatige visuele inspectie. Deze hybride aanpak stelde hen in staat om 18 verschillende bronnen met ORC-achtige structuren te isoleren, waaronder vijf nieuwe single-headed ORCs en twee volledig nieuwe double-headed ontdekkingen. Door deze bevindingen te vergelijken met radiogegevens op 54 MHz and 1400 MHz, konden de onderzoekers cruciale parameters afleiden, zoals spectrale indices en fysieke afmetingen.

Zijn ORCs verbonden aan elliptische sterrenstelsels?

Odd Radio Circles (ORCs) worden in de overgrote meerderheid van de waargenomen gevallen in verband gebracht met grote elliptische sterrenstelsels, die zich meestal in het geometrische middelpunt van de radioringen bevinden. Hoewel eerdere surveys geen uitsluitsel gaven over de morfologie van het gaststelsel, bevestigen de hogeresolutiegegevens van de LOFAR-survey dat deze massieve elliptische stelsels dienen als de "galactische ankers" voor het fenomeen. De aanwezigheid van deze specifieke gaststelsels suggereert dat de energetische processen die nodig zijn om een ORC te creëren — zoals aanzienlijke activiteit van zwarte gaten — intrinsiek zijn aan de evolutie van de meest massieve sterrenstelsels in het universum.

Roodverschuivingsgegevens afgeleid van deze optische tegenhangers hebben het onderzoeksteam in staat gesteld om de fysieke omvang van deze structuren nauwkeuriger dan ooit tevoren in te schatten. De studie vond een opmerkelijke correlatie tussen de fysieke grootte van de Odd Radio Circles (ORCs) en hun geïntegreerde spectrale index; specifiek lijken kleinere ORCs steile radiospectra te vermijden. Deze heterogeniteit suggereert dat de ORC-populatie diverser kan zijn dan voorheen werd vermoed, bestaande uit meerdere subtypen die zijn gevormd door verschillende omgevingscondities of stadia van galactische evolutie. De onderzoekers merkten op dat het identificeren van het gaststelsel een cruciale stap is om te bepalen of de ring een bolvormige schil of een geprojecteerde schijf is.

Hoe verhouden ORCs zich tot de jets van superzware zwarte gaten?

ORCs zijn rechtstreeks gerelateerd aan jets van superzware zwarte gaten, die fungeren als de primaire motor voor het voortstuwen van gemagnetiseerd plasma in het intergalactische medium. Deze relativistische jets creëren een enorme druk wanneer ze het omringende thermische plasma van een cluster van sterrenstelsels raken, wat resulteert in een terminatieschok die zich manifesteert als een cirkelvormige ring met heldere randen. Deze relatie positioneert ORCs als een visueel verslag van de intense feedbackcycli tussen een superzwaar zwart gat en zijn gastomgeving gedurende miljoenen jaren.

De implicaties van dit onderzoek zijn ingrijpend voor het vakgebied van de extragalactische radioastronomie, omdat het de huidige theorieën over de ontstaansmodellen van "schokgolf" versus "jet" uitdaagt. Hoewel single-headed ORCs potentieel verklaard zouden kunnen worden door een enkele bolvormige schokgolf van een versmelting, vereisen de double-headed ORCs die in de LoTSS DR3-gegevens zijn geïdentificeerd een complexer productiemechanisme. De symmetrie die in deze dubbele ringen wordt waargenomen, ondersteunt op sterke wijze het bipolaire jetmodel, waarbij de energie langs een as wordt geleid in plaats van zich gelijkmatig in alle richtingen uit te breiden. Dit suggereert dat sommige ORCs in feite traditionele radio-sterrenstelsels zouden kunnen zijn die vanuit een specifieke oriëntatie worden bekeken die hun cirkelvormige doorsneden benadrukt.

Vooruitkijkend zal de toekomst van het onderzoek naar Odd Radio Circles (ORCs) afhangen van nog diepere surveys met een hogere resolutie. Het werk van het team om de bekende populatie uit te breiden naar 18 bronnen biedt een broodnodig statistisch fundament voor toekomstige modellering. Faciliteiten van de volgende generatie, zoals de Square Kilometre Array (SKA), zullen naar verwachting duizenden van deze structuren ontdekken, waardoor astronomen de overgangsfasen van ORC-vorming kunnen observeren. Naarmate de resolutie verbetert, kan de wetenschappelijke gemeenschap eindelijk uitsluitsel geven over de vraag of deze kosmische ringen veelvoorkomende kenmerken zijn van alle massieve sterrenstelsels of zeldzame overblijfselen van de meest gewelddadige gebeurtenissen in het universum.

• Totaal aantal geïdentificeerde ORC-structuren: 18
• Double-headed ORCs gevonden: 4 (inclusief 2 nieuwe ontdekkingen)
• Nieuwe single-headed ORCs: 5
• Survey-frequentie: 144 MHz (LoTSS DR3)
• Primair type gaststelsel: Massieve elliptische sterrenstelsels