LOFAR раскрывает тайны происхождения «двуглавых» радиоколец ORC

Новый обзор LOFAR выявил редкие двухкомпонентные странные радиокольца в глубоком космосе

Странные радиокольца (Odd Radio Circles, ORC) возникают в результате нескольких возможных механизмов, включая ударные волны от слияния сверхмассивных черных дыр, интенсивное звездообразование, создающее суперветры, или джеты из активных ядер галактик, направленные на наблюдателя. Недавние результаты LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) показывают, что двухкомпонентные ORC, характеризующиеся парой пересекающихся колец, вероятно, являются результатом взаимодействия биполярных радиоджетов с окружающей плазмой в скоплениях галактик. Это открытие, сделанное группой исследователей под руководством M. Brüggen, F. de Gasperin и G. Di Gennaro, значительно расширяет наше понимание этих редких радиоструктур с усилением яркости к краям.

Загадка странных радиоколец (ORC) начала расти в 2019 году, когда эти массивные кольцеобразные структуры были впервые обнаружены, озадачив астрономов своей круговой симметрией и отсутствием на тот момент очевидных оптических аналогов. Эти явления обычно имеют угловой размер около 1 угловой минуты, что на космологических расстояниях, где они находятся, соответствует сотням килопарсек. До появления высокочувствительных низкочастотных обзоров, таких как LOFAR, эти структуры оставались скрытыми из-за их низкой поверхностной яркости и специфических частотных диапазонов, необходимых для разрешения их слабого диффузного излучения.

Что вызывает одиночные и двухкомпонентные ORC в обзорах LOFAR?

Одиночные ORC порождаются энергетическими событиями галактического масштаба, такими как ударные волны торможения от галактических ветров или остатки древних взрывов в массивных галактиках. Напротив, двухкомпонентные ORC, отличающиеся сложной морфологией с двумя кольцами, считаются результатом работы релятивистских намагниченных плазменных джетов, исходящих в противоположных направлениях из центральной сверхмассивной черной дыры. Эти джеты взаимодействуют с локальной средой, образуя симметричные структуры с усилением яркости к краям, которые в радиодиапазоне выглядят как перекрывающиеся или прилегающие друг к другу кольца.

Методология, использованная M. Brüggen и коллегами, включала сложный анализ данных LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) data release 3 (DR3) на частоте 144 МГц. Чтобы ориентироваться в миллионах радиоисточников, представленных в каталоге, команда использовала сочетание автоматической фильтрации параметров и тщательного визуального осмотра. Этот гибридный подход позволил им изолировать 18 отдельных источников с ORC-подобными структурами, включая пять новых одиночных ORC и два совершенно новых двухкомпонентных открытия. Сопоставив эти результаты с радиоданными на частотах 54 МГц и 1400 МГц, исследователи смогли получить критически важные показатели, такие как спектральные индексы и физические размеры.

Связаны ли ORC с эллиптическими галактиками?

Странные радиокольца (ORC) связаны с крупными эллиптическими галактиками в подавляющем большинстве наблюдаемых случаев; эти галактики обычно занимают геометрический центр радиоколец. Хотя более ранние обзоры не давали однозначных результатов относительно морфологии родительских галактик, данные высокого разрешения обзора LOFAR подтверждают, что эти массивные эллиптические системы служат «галактическими якорями» для данных явлений. Наличие таких специфических родительских галактик позволяет предположить, что энергетические процессы, необходимые для создания ORC — например, масштабная активность черных дыр — присущи эволюции самых массивных галактик во Вселенной.

Данные о красном смещении, полученные от этих оптических аналогов, позволили исследовательской группе оценить физический размер этих структур точнее, чем когда-либо прежде. Исследование выявило заметную корреляцию между физическим размером странных радиоколец (ORC) и их интегральным спектральным индексом; в частности, небольшие ORC, по-видимому, не имеют крутых радиоспектров. Эта неоднородность предполагает, что популяция ORC может быть более разнообразной, чем считалось ранее, и состоять из нескольких подтипов, сформированных различными условиями окружающей среды или стадиями галактической эволюции. Исследователи отметили, что идентификация родительской галактики является критически важным шагом в определении того, является ли кольцо сферической оболочкой или проекцией диска.

Как ORC связаны с джетами сверхмассивных черных дыр?

ORC напрямую связаны с джетами сверхмассивных черных дыр, которые выступают в качестве основного двигателя, выбрасывающего намагниченную плазму в межгалактическую среду. Эти релятивистские джеты создают огромное давление при столкновении с окружающей термальной плазмой скопления галактик, что приводит к возникновению ударной волны торможения, проявляющейся в виде круглого кольца с усилением яркости к краям. Такая взаимосвязь позиционирует ORC как визуальную летопись интенсивных циклов обратной связи между сверхмассивной черной дырой и её родительской средой на протяжении миллионов лет.

Последствия этого исследования имеют глубокое значение для внегалактической радиоастрономии, поскольку оно ставит под сомнение текущие теории относительно моделей происхождения «ударная волна против джета». В то время как одиночные ORC потенциально могут быть объяснены единичной сферической ударной волной от слияния, двухкомпонентные ORC, выявленные в данных LoTSS DR3, требуют более сложного механизма образования. Симметрия, наблюдаемая в этих двойных кольцах, убедительно подтверждает модель биполярного джета, где энергия направляется вдоль оси, а не расширяется равномерно во всех направлениях. Это позволяет предположить, что некоторые ORC могут по сути быть традиционными радиогалактиками, видимыми под специфическим углом, который подчеркивает их круговое сечение.

Заглядывая в будущее, можно сказать, что дальнейшие исследования странных радиоколец (ORC) будут зависеть от еще более глубоких обзоров с более высоким разрешением. Работа команды по расширению известной популяции до 18 источников обеспечивает столь необходимую статистическую базу для будущего моделирования. Ожидается, что установки следующего поколения, такие как Square Kilometre Array (SKA), обнаружат тысячи таких структур, что позволит астрономам наблюдать переходные фазы формирования ORC. По мере улучшения разрешения научное сообщество сможет, наконец, выяснить, являются ли эти космические кольца общими чертами всех массивных галактик или же редкими реликтами самых бурных событий во Вселенной.

• Всего выявлено структур ORC: 18
• Обнаружено двухкомпонентных ORC: 4 (включая 2 новых открытия)
• Новых одиночных ORC: 5
• Частота обзора: 144 МГц (LoTSS DR3)
• Основной тип родительских галактик: Массивные эллиптические галактики