Što galaktičke vruće DOG-ove čini tako vrućim?

Zvijezdane eksplozije, aktivne galaktičke jezgre i još mnogo toga - ove čudne prijelazne galaksije imaju sve. Što se događa?

Na galaktičkim je mjestima svemir prije otprilike jedanaest milijardi godina bio zanimljivo mjesto. Sa najstarijim galaksijama starim nekoliko milijardi godina, mnogi su sada prošli kroz dramatično razdoblje sudara i spajanja. U tom su procesu velike količine plina nakupljene supermasivne crne rupe što je dovelo do porasta kvazara i aktivnih galaktičkih jezgara (AGNs), dok su ostali međuzvjezdani oblaci pokrenuli val stvaranja zvijezda.

NGC 5010 je obližnja lentikularna galaksija koja je ujedno i blistava infracrvena galaksija (LIRG) i rođak niskog crvenog pomaka nekih izuzetno svijetlih galaksija zatamnjenih prašinom. Kreditna slika: NASA / ESA / Hubble.

Govoreći spektroskopski, ovo razdoblje u svemiru odgovara crvenom pomaku u rasponu z ~ 2–3. Ispada da mnoge najdramatičnije galaksije s ovim crvenim pomacima spadaju u jednu od dvije glavne klase:

  • Sublimilimetrske galaksije (SMG), koje godišnje pretvaraju stotine ili tisuće solarnih masa plina u zvijezde. Imaju hladnu prašinu i pokazuju jaku emisiju oko 850 mikrona.
  • Galaksije zasjenjene prašinom (DOG), koje su u prijelaznoj fazi od emisije kojom dominiraju zvijezde, a emisijom dominira AGN.

Učenje kako se te klase međusobno odnose zaista je važno za naše razumijevanje kako najmasovnije eliptične galaksije rastu i razvijaju se. To je značilo da su astronomi bili uzbuđeni kada je istraživač širokog polja infracrvenog istraživanja (WISE) na ovim crvenim pomacima pojavio još rjeđi i snažniji tip galaksije. U početku poznatiji samo kao W1W2-ispusti, oni su od tada dobili novo ime - vrući DOG-ovi - i pokazali su se da su neke od najsjajnijih galaksija u svemiru.

Kako možemo pronaći ULIRG-ove?

WISE je tražio više primjera ultra svjetlih infracrvenih galaksija (ULIRG), koje blistaju na triliju sunčeve svjetlosti. I SMG i DOG su specifične pod-populacije ULIRG-ova koje postoje pri z ~ 2–3, a očekivalo se da će WISE istraživanje pokazati primjere oba. Satelit je proučavao ciljeve u četiri pojasa valne duljine, označeni od W1 do W4, što je odgovaralo valnim duljinama 3,4, 4,6, 12 i 22 µm. ULIRG-ovi bi trebali biti jasno vidljivi u prozorima W3 i W4, ali vrlo slabi u W1 i W2.

Slika 1, Wu i sur. Izbor vrućih DOG-ova, kako je vidio WISE.

Sigurno je da su se pojavile brojne galaksije koje odgovaraju tim kriterijima i kategorizirane su kao ispusti W1W2 - ukratko W12drops. Mnogi su imali crvene pomake od z ~ 2–3. Zaintrigirani, astronomi su izvršili daljnja infracrvena opažanja u Caltech Sub-milimetarskom opservatoriju (CSO), kao i optičku spektroskopiju na teleskopu Keck I (Wu i sur. 2012). Svemirski teleskop Spitzer također je mogao promatrati kandidate u prozorima W1 i W2.

Tim je potom pokušao uklopiti brojne različite predloške galaksije potvrđenim kandidatima kako bi pokušali razumjeti što se događa. Modelirali su nešto što se naziva spektralna raspodjela energije (SED), koja pokazuje koliko je energetski objekt na različitim valnim duljinama. Njihov popis mogućnosti uključivao je kvazare, prašine oko AGN-a, galaksije zvijezda poput Arp 220, DOG-ove i hibridnu galaksiju AGN-zvijezda Markarian 231.

Slika 5, Wu i sur. SED predloške prikazane su u usporedbi sa stvarnim podacima za promatranog kandidata W12drops (crne točke povezane plavim linijama). Torus prašine dobro se slaže, osim na malim valnim duljinama.

Modeli zvjezdanih pragova bili su grozni, a iako su AGN uklapanja bila neznatno bolja, čak i obrazac prašine za prah nije mogao udovoljiti svim ključnim karakteristikama: relativno slaba emisija ispod milimetra, SED-a o zakonu snage na srednjim infracrvenim valnim duljinama, a zatim mala bura, također u srednjem infracrvenom. Bilo je i vrha SED-a pri kraćim valnim duljinama nego u drugim galaksijama - što ukazuje na vruću prašinu od 60-120 K. SED modeli također su pokazali da su W12drops oko 10-20 puta svjetliji od DOG-ova, SMG-a ili bilo kojeg prethodno- poznati tip galaksije pri z ~ 2–3. Najmanje jedan kandidat je bio viši od zapanjujućih 100 trilijuna solarnih svjetlosti.

Koliko moćan može biti vrući DOG?

Prije nego što razgovaramo o tome kako se W12drops uklapaju u naše modele evolucije galaksije, razgovarajmo o tom ekstremnom kandidatu (Eisenhardt i sur. 2012). Ukratko poznat kao WISE 1814 + 3412, prvo ga je detaljno proučila ista skupina koja je analizirala W12drop galaksije u cjelini. Analiza kandidata pokazala se škakljivim, jer su zapravo postojale četiri glavne komponente jedna do druge, s oznakom od A do D. Komponenta B je međuprostor - crveni patuljak unutar Mliječnog puta - dok se u ostale tri komponente čini crveni pomak z ~ 2,45. Spektri A i D ukazuju na takozvane Lymanove galaksije probijanja, posebnu vrstu galaksije visoke crvene pomake u obliku zvijezda, dok se čini da je C tradicionalni kvazar.

Slika 5, Eisenhardt i sur. Vidljive su četiri komponente WISE 1814 + 3412, ali samo je komponenta A uistinu izvorna galaksija.

Daljnja analiza pokazuje da je komponenta A odgovorna za većinu emisije, te stoga zaista odgovara WISE 1814 + 3412. Bez dokaza o gravitacijskom lećanju, njegova je ekstremna svjetlina svojstvena. Otprilike 10% njegove svjetlosti dolazi od zvijezda, dok je većina ostatka čini AGN. Problem ove galaksije je u tome što su neka tipična AGN spektralna svojstva izostala, iako radio emisija povećava vjerojatnost da je ovo objašnjenje ispravno.

Naš najbolji model galaksije uključuje nekoliko stotina milijardi sunčevih masa zvijezda koje su se formirale tijekom oko milijardu godina. AGN pokreće crna milijarda rupa od solarne mase - mnogo veća od one u središtu Mliječnog puta, ali sigurno nije najmasovnija poznata. Ono što je zanimljivo je da omjer svjetline i mase crne rupe ne odgovara poznatim odnosima. Moguće rješenje je da je AGN aktivnost dominantna jer se stvaranje zvijezda tek treba u potpunosti pokupiti, ali to stvara probleme ULIRG evolucijskim modelima. Bez obzira na to, čini se da je WISE 1814 + 3412 vruć DOG - mnogo toga je dogovoreno.

Slika 7, Wu i sur. W1814 + 3412, zajedno s izborom drugih ULIRG-ova, pokazuje jasnu naznaku prašine za razliku od one koja se nalazi u Markarian 231, Arp 220 ili drugim osebujnim galaksijama. Hot DOG-ovi su očito odvojena skupina.

Gdje se uklapaju u evoluciju ULIRG-a?

Sami DOG-ovi se mogu klasificirati prema njihovim SED-ovima. Jedna velika pod-populacija pokazuje nagib svojih SED-a od 3–10 µm, dok druga pokazuje jasan zakon moći u srednjem IR-u. Smatra se da su njih dvije različite faze evolucije DOG-a; Izrasli DOG-ovi i dalje imaju značajnu aktivnost stvaranja zvijezda, dok DOG-ovi zakona o moći imaju AGN-ove koji rastu. U tom okviru, galaksije W12drop bile bi takozvane "vruće DOG-ove", od kojih svaka ima izuzetno moćan AGN okružen velikim količinama prašine. Međutim, SED-u je i dalje potreban doprinos hladne prašine, što ukazuje na to da je stvaranje zvijezda i dalje snažno.

Ono što je doista uzbudljivo je da to znači da bi vrući PAS-ovi mogli ležati u ključnoj točki na evolucijskom slijedu LIRG-a. Neke su skupine teoretizirale da mnoge od tih galaksija postaju SMG s impresivnim zvjezdanim eksplozijama prije nego što postanu DOG-i kada se AGN aktivnost poveća. Vrući DOG-ovi mogli bi se nalaziti na drugom kraju niza, pri čemu je WISE 1814 + 3412 neobična iznimka. Nadamo se da možemo dobiti bolju predodžbu o njihovom mjestu u razvoju ULIRG-a razumijevanjem trendova iza SMG-ova i DOG-ova pobliže. Možda bi radio opažanja mogla baciti još više svjetla na aktivnost AGN-a.

Umjetnikov dojam o WISE J224607.57–052635.0, ULIRG-u i ujedno i najsvjetlijoj galaksiji. Možda se aktivno stapa s drugim galaksijama, hraneći njegovu središnju supermasivnu crnu rupu.