LOFAR avslöjar orsaken bakom tvåhövdade ORC:er

Ny LOFAR-kartläggning avslöjar sällsynta dubbelhövdade Odd Radio Circles i djuprymden

Odd Radio Circles (ORCs) orsakas av flera möjliga mekanismer, inklusive chockvågor från sammansmältande supermassiva svarta hål, intensiv stjärnbildning som skapar supervindar, eller jetstrålar från aktiva galaxkärnor sedda rakt framifrån. Nyligen gjorda fynd från LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) avslöjar att dubbelhövdade ORC:er, som karaktäriseras av tvillingringar som korsar varandra, troligen är ett resultat av bipolära radiojetstrålar som interagerar med det omgivande plasmat i galaxhoper. Denna upptäckt, ledd av forskarna M. Brüggen, F. de Gasperin och G. Di Gennaro, utökar avsevärt vår förståelse för dessa sällsynta radiostrukturer med ljusstarka kanter.

Det växande mysteriet med Odd Radio Circles (ORCs) började 2019 när dessa massiva, ringformade strukturer först upptäcktes, vilket förbryllade astronomer med sin cirkulära symmetri och avsaknad av uppenbara optiska motsvarigheter vid den tidpunkten. Dessa fenomen spänner vanligtvis över ungefär 1 bågminut på himlen, en skala som motsvarar hundratals kiloparsec vid de kosmologiska avstånd där de återfinns. Fram till tillkomsten av högkänsliga lågfrekvenskartläggningar som LOFAR förblev dessa strukturer dolda på grund av sin låga ytljusstyrka och de specifika frekvensområden som krävs för att urskilja deras svaga, diffusa emissioner.

Vad orsakar enkel- och dubbelhövdade ORC:er i LOFAR-kartläggningar?

Enkelhövdade ORC:er produceras av energirika händelser på galaktisk skala, såsom termineringschocker från galaktiska vindar eller rester av forntida explosioner i massiva galaxer. I kontrast tros dubbelhövdade ORC:er, som uppvisar komplexa morfologier med tvillingcirklar, vara resultatet av relativistiska magnetiserade plasmajetstrålar som strömmar i motsatta riktningar från ett centralt supermassivt svart hål. Dessa jetstrålar interagerar med den lokala miljön och bildar symmetriska strukturer med ljusstarka kanter som framstår som överlappande eller intilliggande ringar i radiovåglängder.

Metodiken som användes av M. Brüggen och hans kollegor innefattade en sofistikerad analys av data från LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) data release 3 (DR3) vid 144 MHz. För att navigera bland de miljontals radiokällor som finns i katalogen använde teamet en kombination av automatiserad parameterfiltrering och rigorös manuell visuell granskning. Denna hybridmetod gjorde det möjligt för dem att isolera 18 distinkta källor med ORC-liknande strukturer, inklusive fem nya enkelhövdade ORC:er och två helt nya dubbelhövdade fynd. Genom att korsreferera dessa fynd med radiodata vid 54 MHz och 1400 MHz kunde forskarna härleda kritiska mätvärden såsom spektralindex och fysiska dimensioner.

Är ORC:er förknippade med elliptiska galaxer?

Odd Radio Circles (ORCs) är förknippade med stora elliptiska galaxer i de allra flesta observerade fall, vilka vanligtvis upptar radioringarnas geometriska centrum. Medan tidigare kartläggningar var osäkra beträffande värdgalaxens morfologi, bekräftar högupplösta data från LOFAR-kartläggningen att dessa massiva elliptiska galaxer fungerar som "galaktiska ankare" för fenomenen. Förekomsten av dessa specifika värdgalaxer tyder på att de energiprocesser som krävs för att skapa en ORC – såsom omfattande aktivitet från svarta hål – är inneboende i utvecklingen av universums mest massiva galaxer.

Rödförskjutningsdata härledda från dessa optiska motsvarigheter har gjort det möjligt för forskargruppen att uppskatta den fysiska storleken på dessa strukturer mer exakt än någonsin tidigare. Studien fann en anmärkningsvärd korrelation mellan den fysiska storleken på Odd Radio Circles (ORCs) och deras integrerade spektralindex; specifikt verkar mindre ORC:er undvika branta radiospektrum. Denna heterogenitet tyder på att ORC-populationen kan vara mer mångsidig än man tidigare misstänkt, och bestå av flera undertyper formade av olika miljöförhållanden eller stadier av galaktisk evolution. Forskarna noterade att identifiering av värdgalaxen är ett avgörande steg för att avgöra om ringen är ett sfäriskt skal eller en projicerad disk.

Hur relaterar ORC:er till jetstrålar från supermassiva svarta hål?

ORC:er är direkt relaterade till jetstrålar från supermassiva svarta hål, vilka fungerar som den primära motorn för att driva ut magnetiserat plasma i det intergalaktiska mediet. Dessa relativistiska jetstrålar skapar ett enormt tryck när de träffar det omgivande termiska plasmat i en galaxhop, vilket resulterar i en termineringschock som manifesterar sig som en cirkulär ring med ljusstarka kanter. Detta förhållande positionerar ORC:er som ett visuellt register över de intensiva återkopplingscyklerna mellan ett supermassivt svart hål och dess värdmiljö under miljontals år.

Implikationerna av denna forskning är djupgående för fältet extragalaktisk radioastronomi, då den utmanar nuvarande teorier gällande modeller för ursprung via "chockvåg" kontra "jetstråle". Medan enkelhövdade ORC:er potentiellt skulle kunna förklaras av en enskild sfärisk chockvåg från en sammansmältning, kräver de dubbelhövdade ORC:er som identifierats i LoTSS DR3-data en mer komplex produktionsmekanism. Symmetrin som observeras i dessa tvillingringar stöder starkt den bipolära jetmodellen, där energin kanaliseras längs en axel snarare än att expandera enhetligt i alla riktningar. Detta tyder på att vissa ORC:er i själva verket kan vara traditionella radiogalaxer sedda från en specifik orientering som framhäver deras cirkulära tvärsnitt.

Framåt sett kommer framtiden för forskning om Odd Radio Circles (ORCs) att bero på ännu djupare kartläggningar med högre upplösning. Teamets arbete med att utöka den kända populationen till att omfatta 18 källor ger en välbehövlig statistisk grund för framtida modellering. Nästa generations anläggningar, såsom Square Kilometre Array (SKA), förväntas upptäcka tusentals av dessa strukturer, vilket gör det möjligt för astronomer att observera övergångsfaserna i ORC-bildningen. Allteftersom upplösningen förbättras kan det vetenskapliga samfundet slutligen avgöra om dessa kosmiska ringar är vanliga inslag i alla massiva galaxer eller sällsynta kvarlevor från de mest våldsamma händelserna i universum.

• Totalt antal identifierade ORC-strukturer: 18
• Antal funna dubbelhövdade ORC:er: 4 (inklusive 2 nya upptäckter)
• Nya enkelhövdade ORC:er: 5
• Kartläggningsfrekvens: 144 MHz (LoTSS DR3)
• Primär typ av värdgalax: Massiva elliptiska galaxer