Mengungkap misteri di balik sirkuit radio langka di alam semesta

Angin galaksi yang mengalir dari bintang-bintang yang meledak mungkin menjelaskan cincin besar tersebut.

Tidak setiap hari para astronom berkata: “Apa ini?” Bagaimanapun, sebagian besar fenomena astronomi yang diamati diketahui: bintang, planet, lubang hitam, galaksi. Namun pada tahun 2019, teleskop ASKAP (Australian Square Kilometer Array) yang baru selesai dibangun menangkap sesuatu yang belum pernah dilihat siapa pun sebelumnya: lingkaran gelombang radio yang begitu besar sehingga memuat seluruh galaksi di pusatnya.

Saat komunitas astrofisika mencoba menentukan lingkaran apa itu, mereka juga ingin mengetahuinya Mengapa Itu adalah lingkarannya. Kini tim yang dipimpin oleh Alison Coyle, seorang profesor astronomi dan astrofisika di Universitas California San Diego, yakin bahwa mereka mungkin telah menemukan jawabannya: lingkaran tersebut adalah cangkang yang terbentuk oleh aliran angin galaksi, mungkin dari ledakan bintang masif yang dikenal sebagai supernova. Karya mereka diterbitkan di alam.

Lingkaran radio individual, seperti ORC 1 pada gambar di atas, cukup besar untuk memuat galaksi di pusatnya dan lebarnya ratusan ribu tahun cahaya. Sumber: © J. English (U. Manitoba)/EMU/MeerKAT/DES(CTIO)

Cowell dan kolaboratornya telah mempelajari galaksi “ledakan bintang” raksasa yang dapat mendorong angin yang mengalir sangat cepat ini. Galaksi Starburst memiliki tingkat pembentukan bintang yang sangat tinggi. Ketika bintang mati dan meledak, mereka mengeluarkan gas dari bintang dan sekitarnya ke ruang antarbintang. Jika cukup banyak bintang yang meledak berdekatan pada saat yang sama, kekuatan ledakan ini dapat mendorong gas keluar dari galaksi itu sendiri dan masuk ke dalam aliran angin, yang dapat bergerak dengan kecepatan hingga 2.000 kilometer per detik.

“Galaksi-galaksi ini sungguh menarik,” kata Cowell, yang juga Ketua Departemen Astronomi dan Astrofisika. Penggabungan tersebut mendorong semua gas ke dalam area yang sangat kecil, menyebabkan ledakan pembentukan bintang yang hebat. Bintang-bintang masif terbakar dengan cepat, dan ketika mati, mereka mengeluarkan gasnya dalam aliran angin.”

Besar, langka, dan asal usulnya tidak diketahui

Kemajuan teknologi memungkinkan ASKAP memindai sebagian besar langit dalam batas yang sangat redup, membuat sirkuit radio individu (ORC) dapat dideteksi untuk pertama kalinya pada tahun 2019. ORC berukuran sangat besar – lebarnya ratusan kilometer, dengan satu kiloparsec setara dengan 3.260 parsec cahaya . tahun (untuk referensi, Bima Sakti Galaksi ini berukuran sekitar 30 kiloparsec).

Berbagai teori telah diajukan untuk menjelaskan asal usul ORC, termasuk nebula planet dan… Lubang hitam merger, namun data radio saja tidak dapat membedakan teori-teori tersebut. Cowell dan kolaboratornya tertarik dan berpikir mungkin saja cincin radio merupakan evolusi dari tahap selanjutnya dari galaksi starburst yang mereka pelajari. Mereka mulai meneliti ORC 4 – ORC pertama yang ditemukan dan diamati dari Belahan Bumi Utara.

Simulasi angin yang didorong oleh ledakan bintang pada tiga periode waktu berbeda, dimulai pada 181 juta tahun lalu. Setengah bagian atas setiap gambar menunjukkan suhu gas, sedangkan bagian bawah menunjukkan kecepatan radial. Kredit: Cassandra Luchas / Institut Sains Teleskop Luar Angkasa

Sampai saat itu, ORC hanya diamati melalui emisi radionya, tanpa data optik apa pun. Tim Cowell menggunakan spektograf lapangan terintegrasi di Observatorium WM Keck di Maunakea, Hawaii, untuk melihat ORC 4, yang mengungkapkan sejumlah besar gas yang sangat terang, panas, dan padat — jauh lebih banyak daripada yang terlihat di galaksi rata-rata.

Dengan lebih banyak pertanyaan daripada jawaban, tim mulai melakukan pekerjaan detektif. Dengan menggunakan data pencitraan optik dan inframerah, mereka menentukan bahwa bintang-bintang di galaksi ORC 4 berusia sekitar 6 miliar tahun. “Ada ledakan pembentukan bintang di galaksi ini, tapi itu berakhir sekitar satu miliar tahun yang lalu,” kata Cowell.

Simulasi dan kesimpulan

Cassandra Luchas, rekan pascadoktoral di Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian yang berspesialisasi dalam sisi teoritis angin galaksi dan salah satu penulis makalah ini, menjalankan serangkaian simulasi komputer numerik untuk mereplikasi ukuran dan sifat radio broadband. Sebuah cincin, termasuk sejumlah besar gas dingin yang diguncang ke pusat galaksi.

Simulasi mereka menunjukkan bahwa angin galaksi yang mengalir bertiup selama 200 juta tahun sebelum berhenti. Saat angin berhenti, guncangan yang bergerak maju terus mendorong gas bersuhu tinggi keluar dari galaksi dan menciptakan cincin radio, sedangkan guncangan sebaliknya membuat gas dingin jatuh kembali ke galaksi. Simulasi ini memakan waktu lebih dari 750 juta tahun, dalam perkiraan usia bintang 1 miliar tahun untuk ORC 4.

Simulasi komputer dari jet angin galaksi yang ditembakkan dengan kecepatan awal 450 kilometer per detik dan laju aliran massa 200 massa matahari per tahun, yang mengeluarkan gas dari galaksi selama 200 juta tahun ke medium galaksi sekitarnya. Panel kiri menunjukkan suhu gas dan panel kanan menunjukkan kepadatan gas. Simulasi ini memberikan penjelasan yang mungkin tentang asal usul sirkuit radio individu. Kredit: Cassandra Luchas / Institut Sains Teleskop Luar Angkasa

“Untuk membuat ini berhasil, diperlukan laju aliran keluar massa yang tinggi, yang berarti ia mengeluarkan banyak material dengan sangat cepat. Dan gas di sekitar luar galaksi harus memiliki kepadatan yang rendah, jika tidak, guncangan akan berhenti. Itulah dua hal tersebut. faktor kuncinya,” kata Cowell. “Ternyata galaksi-galaksi yang kami pelajari memiliki laju aliran massa yang tinggi. Jarang terjadi, namun memang ada. Menurut saya, hal ini menunjukkan ORC muncul dari semacam aliran angin galaksi.”

Aliran angin tidak hanya dapat membantu para astronom memahami ORC, ORC juga dapat membantu para astronom memahami aliran angin. “ORC memberi kita cara untuk melihat angin melalui data radio dan spektroskopi,” kata Cowell.

“Hal ini dapat membantu kita menentukan seberapa umum angin galaksi yang mengalir deras ini dan bagaimana siklus hidup angin tersebut. Hal ini juga dapat membantu kita mempelajari lebih lanjut tentang evolusi galaksi: Apakah semua galaksi masif melewati fase ORC? Apakah galaksi spiral berubah menjadi galaksi spiral? ellipsoid ketika mereka berhenti membentuk bintang?” ?Saya pikir ada banyak hal yang bisa kita pelajari tentang ORC dan belajar dari ORC.

Referensi: “Gas terionisasi meluas lebih dari 40 kiloparsec ke dalam satu galaksi induk sirkuit radio” oleh Alison L. Coyle, Serena Perrotta, David S.N. Rupke, Cassandra Lochhas, dan Christy A. Tremonti, Alex Diamond Stanek, Drummond Fielding, dan James E. Geach, Ryan C. Hickox, John Moustakas, Gregory H. Rudnick, Paul Sell, dan Kelly E. Yen, 8 Januari 2024, alam.
doi: 10.1038/s41586-023-06752-8