LOFAR ujawnia przyczyny powstania „dwugłowych” ORC-ów

Nowy przegląd LOFAR odkrywa rzadkie, dwugłowe Dziwne kręgi radiowe w głębokim kosmosie

Dziwne kręgi radiowe (ORC) są powodowane przez kilka możliwych mechanizmów, w tym fale uderzeniowe pochodzące z łączących się supermasywnych czarnych dziur, intensywne procesy gwiazdotwórcze tworzące superwiatry lub dżety z aktywnych jąder galaktyk widoczne od strony czołowej. Ostatnie ustalenia z LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) ujawniają, że dwugłowe ORC, charakteryzujące się dwoma przecinającymi się pierścieniami, prawdopodobnie wynikają z oddziaływania dwubiegunowych dżetów radiowych z otaczającą plazmą w gromadach galaktyk. Odkrycie to, dokonane przez zespół pod kierownictwem badaczy M. Brüggena, F. de Gasperina i G. Di Gennaro, znacząco poszerza naszą wiedzę na temat tych rzadkich struktur radiowych o pojaśnieniu brzegowym.

Narastająca zagadka Dziwnych kręgów radiowych (ORC) rozpoczęła się w 2019 roku, kiedy po raz pierwszy wykryto te masywne, przypominające pierścienie struktury, które zadziwiły astronomów swoją kołową symetrią i brakiem oczywistych odpowiedników optycznych w tamtym czasie. Zjawiska te zazwyczaj obejmują około 1 minuty kątowej na niebie, co w odległościach kosmologicznych, w których się znajdują, odpowiada skali setek kiloparseków. Do czasu pojawienia się wysokoczułych przeglądów niskoczęstotliwościowych, takich jak LOFAR, struktury te pozostawały ukryte ze względu na ich niską jasność powierzchniową oraz specyficzne zakresy częstotliwości wymagane do rozdzielenia ich słabej, rozproszonej emisji.

Co powoduje jednogłowe i dwugłowe ORC w przeglądach LOFAR?

Jednogłowe ORC powstają w wyniku procesów energetycznych w skali galaktycznej, takich jak fale uderzeniowe końcowe (termination shocks) wiatrów galaktycznych lub pozostałości po dawnych eksplozjach wewnątrz masywnych galaktyk. W przeciwieństwie do nich, uważa się, że dwugłowe ORC, charakteryzujące się złożoną morfologią podwójnego pierścienia, są wynikiem relatywistycznych, namagnesowanych dżetów plazmowych emanujących w przeciwnych kierunkach z centralnej supermasywnej czarnej dziury. Dżety te oddziałują z lokalnym środowiskiem, tworząc symetryczne struktury o jasnych krawędziach, które w pasmach radiowych wyglądają jak nakładające się lub sąsiadujące ze sobą pierścienie.

Metodologia zastosowana przez M. Brüggena i współpracowników obejmowała zaawansowaną analizę danych z LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) data release 3 (DR3) przy częstotliwości 144 MHz. Aby przefiltrować miliony źródeł radiowych obecnych w katalogu, zespół wykorzystał kombinację automatycznego filtrowania parametrów oraz rygorystycznej, ręcznej inspekcji wizualnej. To hybrydowe podejście pozwoliło im wyizolować 18 odrębnych źródeł o strukturach przypominających ORC, w tym pięć nowych jednogłowych ORC i dwa całkowicie nowe odkrycia dwugłowe. Dzięki zestawieniu tych wyników z danymi radiowymi na częstotliwościach 54 MHz i 1400 MHz, badacze byli w stanie wyprowadzić kluczowe parametry, takie jak indeksy widmowe i wymiary fizyczne.

Czy ORC są powiązane z galaktykami eliptycznymi?

Dziwne kręgi radiowe (ORC) są powiązane z dużymi galaktykami eliptycznymi w przeważającej większości obserwowanych przypadków, które zazwyczaj zajmują geometryczny środek pierścieni radiowych. Choć wcześniejsze przeglądy nie dawały jednoznacznych wyników w kwestii morfologii gospodarzy, dane o wysokiej rozdzielczości z przeglądu LOFAR potwierdzają, że te masywne galaktyki eliptyczne służą jako „galaktyczne kotwice” dla tych zjawisk. Obecność tych konkretnych galaktyk macierzystych sugeruje, że procesy energetyczne wymagane do stworzenia ORC – takie jak intensywna aktywność czarnych dziur – są nieodłącznym elementem ewolucji najmasywniejszych galaktyk we wszechświecie.

Dane dotyczące przesunięcia ku czerwieni (redshift) uzyskane z tych optycznych odpowiedników pozwoliły zespołowi badawczemu oszacować fizyczny rozmiar tych struktur dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej. Badanie wykazało istotną korelację między fizycznym rozmiarem Dziwnych kręgów radiowych (ORC) a ich zintegrowanym indeksem widmowym; w szczególności mniejsze ORC zdają się unikać stromych widm radiowych. Ta heterogeniczność sugeruje, że populacja ORC może być bardziej zróżnicowana, niż wcześniej przypuszczano, składając się z wielu podtypów uformowanych przez różne warunki środowiskowe lub etapy ewolucji galaktycznej. Badacze zauważyli, że identyfikacja galaktyki macierzystej jest krytycznym krokiem w określaniu, czy pierścień jest sferyczną powłoką, czy rzutowanym dyskiem.

Jaki jest związek ORC z dżetami supermasywnych czarnych dziur?

ORC są bezpośrednio powiązane z dżetami supermasywnych czarnych dziur, które działają jako główny silnik napędzający namagnesowaną plazmę do ośrodka międzygalaktycznego. Te relatywistyczne dżety wytwarzają ogromne ciśnienie, gdy uderzają w otaczającą plazmę termiczną gromady galaktyk, co skutkuje powstaniem fali uderzeniowej końcowej, manifestującej się jako kołowy pierścień o pojaśnieniu brzegowym. Taka zależność sytuuje ORC jako wizualny zapis intensywnych cykli sprzężenia zwrotnego między supermasywną czarną dziurą a jej środowiskiem macierzystym na przestrzeni milionów lat.

Implikacje tych badań są głębokie dla dziedziny pozagalaktycznej astronomii radiowej, ponieważ rzucają wyzwanie obecnym teoriom dotyczącym modeli pochodzenia opartych na „fali uderzeniowej” versus „dżetach”. O ile jednogłowe ORC mogłyby być potencjalnie wyjaśnione przez pojedynczą sferyczną falę uderzeniową z połączenia galaktyk, o tyle dwugłowe ORC zidentyfikowane w danych LoTSS DR3 wymagają bardziej złożonego mechanizmu powstawania. Symetria obserwowana w tych bliźniaczych pierścieniach silnie wspiera model dwubiegunowego dżetu, w którym energia jest kierowana wzdłuż osi, a nie rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach. Sugeruje to, że niektóre ORC mogą być w istocie tradycyjnymi galaktykami radiowymi widzianymi z określonej orientacji, która podkreśla ich kołowe przekroje poprzeczne.

Patrząc w przyszłość, dalsze badania nad Dziwnymi kręgami radiowymi (ORC) będą zależeć od jeszcze głębszych przeglądów o wyższej rozdzielczości. Praca zespołu nad powiększeniem znanej populacji do 18 źródeł zapewnia bardzo potrzebny fundament statystyczny dla przyszłego modelowania. Oczekuje się, że instrumenty nowej generacji, takie jak Square Kilometre Array (SKA), odkryją tysiące takich struktur, pozwalając astronomom obserwować fazy przejściowe formowania się ORC. Wraz z poprawą rozdzielczości społeczność naukowa może ostatecznie rozstrzygnąć, czy te kosmiczne pierścienie są powszechną cechą wszystkich masywnych galaktyk, czy rzadkimi pozostałościami najbardziej gwałtownych zdarzeń we wszechświecie.

• Łączna liczba zidentyfikowanych struktur ORC: 18
• Znalezione dwugłowe ORC: 4 (w tym 2 nowe odkrycia)
• Nowe jednogłowe ORC: 5
• Częstotliwość przeglądu: 144 MHz (LoTSS DR3)
• Główny typ galaktyk macierzystych: Masywne galaktyki eliptyczne