Desvendando o mistério por trás dos raros circuitos de rádio do universo

Os ventos galácticos que fluem das estrelas em explosão podem explicar os anéis massivos.

Não é todo dia que os astrônomos dizem: “O que é isso?” Afinal, a maioria dos fenômenos astronômicos observados são conhecidos: estrelas, planetas, buracos negros, galáxias. Mas em 2019, o recém-concluído telescópio ASKAP (Australian Square Kilometer Array) capturou algo que ninguém tinha visto antes: círculos de ondas de rádio tão grandes que contêm galáxias inteiras nos seus centros.

Enquanto a comunidade astrofísica tentava determinar o que eram esses círculos, eles também queriam saber Por que Foram os círculos. Agora, uma equipe liderada por Alison Coyle, professora de astronomia e astrofísica na Universidade da Califórnia em San Diego, acredita ter encontrado a resposta: os círculos são conchas formadas por ventos galácticos fluidos, talvez de estrelas massivas em explosão conhecidas como supernovas. Seu trabalho é publicado em natureza.

Cowell e seus colaboradores têm estudado galáxias massivas em “explosão estelar” que podem impulsionar esses ventos extremamente rápidos. As galáxias Starburst têm uma taxa excepcionalmente alta de formação de estrelas. Quando as estrelas morrem e explodem, elas expelem gás da estrela e de seus arredores para o espaço interestelar. Se um número suficiente de estrelas explodirem próximas umas das outras ao mesmo tempo, a força destas explosões poderá empurrar o gás para fora da própria galáxia e para o vento, que pode viajar a velocidades de até 2.000 quilómetros por segundo.

“Estas galáxias são realmente interessantes”, disse Cowell, que também é presidente do Departamento de Astronomia e Astrofísica. “Ocorre quando duas grandes galáxias colidem. A fusão empurra todo o gás para uma área muito pequena, causando uma intensa explosão de formação estelar. Estrelas massivas queimam rapidamente e, quando morrem, expelem os seus gases em ventos correntes.”

Enorme, raro e de origem desconhecida

Os avanços tecnológicos permitiram que o ASKAP varresse grandes porções do céu dentro de limites muito fracos, tornando os circuitos de rádio individuais (ORCs) detectáveis ​​pela primeira vez em 2019. Os ORCs eram enormes – centenas de quilómetros de diâmetro, com um quiloparsec igual a 3.260 parsecs de luz. . anos (para referência, via Láctea A galáxia tem cerca de 30 quiloparsecs).

Múltiplas teorias foram propostas para explicar a origem das ORCs, incluindo nebulosas planetárias e… Buraco negro fusões, mas os dados de rádio por si só não conseguem distinguir entre as teorias. Cowell e os seus colaboradores ficaram intrigados e pensaram que era possível que os anéis de rádio fossem uma evolução de fases posteriores das galáxias estelares que estavam a estudar. Eles começaram a pesquisar o ORC 4 – o primeiro ORC descoberto e observável no Hemisfério Norte.

Até então, os ORCs só tinham sido observados através das suas emissões de rádio, sem quaisquer dados ópticos. A equipe de Cowell usou um espectrógrafo de campo integrado no Observatório WM Keck em Maunakea, no Havaí, para observar ORC 4, que revelou uma enorme quantidade de gás extremamente luminoso, quente e compacto — muito mais do que é visto na galáxia média.

Com mais perguntas do que respostas, a equipe começa a trabalhar como detetive. Usando dados de imagens ópticas e infravermelhas, determinaram que as estrelas dentro da galáxia ORC 4 têm cerca de 6 mil milhões de anos. “Houve uma explosão de formação estelar nesta galáxia, mas terminou há cerca de mil milhões de anos”, disse Cowell.

Simulações e conclusões

Cassandra Luchas, pós-doutoranda no Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, especializada no lado teórico dos ventos galácticos e coautora do artigo, executou um conjunto de simulações numéricas de computador para replicar o tamanho e as propriedades do rádio de banda larga. Um anel, incluindo uma grande quantidade de gás frio, atingiu a galáxia central.

Suas simulações mostraram que o fluxo dos ventos galácticos sopra durante 200 milhões de anos antes de parar. Quando os ventos pararam, o choque progressivo continuou a empurrar o gás de alta temperatura para fora da galáxia e criou um anel de rádio, enquanto o choque reverso enviou o gás frio de volta para a galáxia. A simulação durou mais de 750 milhões de anos, dentro da idade estelar estimada de 1 bilhão de anos para ORC 4.

Uma simulação computacional de um jato de vento galáctico disparado a uma velocidade inicial de 450 quilômetros por segundo e uma vazão de massa de 200 massas solares por ano, que sopra gás da galáxia por 200 milhões de anos para o meio galáctico circundante. O painel esquerdo mostra a temperatura do gás e o painel direito mostra a densidade do gás. Esta simulação fornece uma possível explicação para a origem de circuitos de rádio individuais. Crédito: Cassandra Luchas/Instituto de Ciências do Telescópio Espacial

“Para fazer isso funcionar, você precisa de uma alta taxa de fluxo de massa, o que significa que ele está ejetando muito material muito rapidamente. E o gás circundante fora da galáxia tem que ser de baixa densidade, caso contrário o choque irá parar. Esses são os dois fatores-chave”, disse Cowell. “Acontece que as galáxias que temos estudado têm taxas de fluxo de massa elevadas. São raras, mas existem. Penso realmente que isto aponta para ORCs que surgem de algum tipo de vento galáctico que flui.”

Os ventos fluidos não apenas podem ajudar os astrônomos a entender os ORCs, mas os ORCs também podem ajudar os astrônomos a entender os ventos fluidos. “Os ORCs nos dão uma maneira de ver os ventos através de dados de rádio e espectroscopia”, disse Cowell.

“Isso pode nos ajudar a determinar quão comuns são esses ventos galácticos de fluxo intenso e qual é o ciclo de vida do vento. Eles também podem nos ajudar a aprender mais sobre a evolução das galáxias: todas as galáxias massivas passam por uma fase ORC? As galáxias espirais se transformam em elipsóides quando param de formar estrelas?” ?Acho que podemos aprender muito sobre ORCs e com os ORCs.

Referência: “O gás ionizado se estende por mais de 40 quiloparsecs em uma única galáxia hospedeira de circuito de rádio” por Alison L. Coyle, Serena Perrotta, David S. N. Rupke, Cassandra Lochhas e Christy A. Tremonti, Alex Diamond Stanek, Drummond Fielding e James E. Geach, Ryan C. Hickox, John Moustakas, Gregory H. Rudnick, Paul Sell e Kelly E. Iene, 8 de janeiro de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-023-06752-8