Le mystère derrière les rares cercles radio de l’univers dévoilé

Les vents galactiques sortant des étoiles explosives peuvent expliquer les énormes anneaux.

Ce n’est pas tous les jours que les astronomes demandent : « Qu’est-ce que c’est ? » Après tout, la plupart des phénomènes astronomiques observés sont connus : les étoiles, les planètes, les trous noirs et les galaxies. Mais en 2019, le nouveau télescope ASKAP (Australian Square Kilometer Array Pathfinder) a détecté quelque chose que personne n’avait jamais vu auparavant : des cercles d’ondes radio si grands qu’ils contenaient des galaxies entières en leur centre.

Alors que la communauté astrophysique tentait de déterminer ce qu’étaient ces cercles, elle voulait également savoir pourquoi les cercles l’étaient. Aujourd’hui, une équipe dirigée par Alison Coil, professeur d’astronomie et d’astrophysique à l’Université de Californie à San Diego, pense avoir trouvé la réponse : les cercles sont des coquilles formées par des vents galactiques sortant, peut-être d’étoiles explosives massives connues sous le nom de supernovae. Leurs travaux sont publiés dans Nature.

Les cercles radio étranges, comme ORC 1 illustré ci-dessus, sont suffisamment grands pour contenir des galaxies en leur centre et atteindre des centaines de milliers d’années-lumière. Crédit : © J. English (U. Manitoba)/EMU/MeerKAT/DES(CTIO)

Coil et ses collaborateurs ont étudié les galaxies massives en « étoile » qui peuvent entraîner ces vents sortants ultra-rapides. Les galaxies Starburst ont un taux de formation d’étoiles exceptionnellement élevé. Lorsque les étoiles meurent et explosent, elles expulsent le gaz de l’étoile et de ses environs vers l’espace interstellaire. Si suffisamment d’étoiles explosent les unes à côté des autres en même temps, la force de ces explosions peut pousser le gaz hors de la galaxie elle-même dans des vents sortants, qui peuvent se déplacer jusqu’à 2 000 kilomètres/seconde.

“Ces galaxies sont vraiment intéressantes”, a déclaré Coil, qui est également président du Département d’astronomie et d’astrophysique. « Ils se produisent lorsque deux grandes galaxies entrent en collision. La fusion pousse tout le gaz dans une très petite région, ce qui provoque une intense explosion de formation d’étoiles. Les étoiles massives brûlent rapidement et lorsqu’elles meurent, elles expulsent leur gaz sous forme de vents sortants.

Massif, rare et d’origine inconnue

Les développements technologiques ont permis à ASKAP de scanner de grandes parties du ciel à des limites très faibles, ce qui a rendu les cercles radio impairs (ORC) détectables pour la première fois en 2019. Les ORC étaient énormes : des centaines de kiloparsecs de diamètre, où un kiloparsec équivaut à 3 260 lumière- années (pour référence, le

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]” tabindex=”0″ role=”link”>Voie Lactée galaxie mesure environ 30 kiloparsecs de diamètre).

Plusieurs théories ont été proposées pour expliquer l’origine des ORC, notamment les nébuleuses planétaires et

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]” tabindex=”0″ role=”link”>trou noir fusions, mais les données radio à elles seules ne pouvaient pas faire la distinction entre les théories. Coil et ses collaborateurs étaient intrigués et pensaient qu’il était possible que les anneaux radio soient un développement des stades ultérieurs des galaxies en étoile qu’ils avaient étudiées. Ils ont commencé à étudier ORC 4 – le premier ORC découvert observable depuis l’hémisphère nord.

Une simulation de vents provoqués par des étoiles à trois périodes différentes, à partir de 181 millions d’années. La moitié supérieure de chaque image montre la température du gaz, tandis que la moitié inférieure montre la vitesse radiale. Crédit : Cassandra Lochhaas / Institut scientifique du télescope spatial

Jusqu’alors, les ORC n’étaient observés que par leurs émissions radio, sans aucune donnée optique. L’équipe de Coil a utilisé un spectrographe de champ intégré à l’observatoire WM Keck de Maunakea, à Hawaï, pour examiner ORC 4, qui a révélé une énorme quantité de gaz comprimé, chauffé et hautement lumineux, bien plus que ce que l’on voit dans la galaxie moyenne.

Avec plus de questions que de réponses, l’équipe s’est mise au travail de détective. À l’aide de données d’imagerie optique et infrarouge, ils ont déterminé que les étoiles à l’intérieur de la galaxie ORC 4 avaient environ 6 milliards d’années. “Il y a eu une explosion de formation d’étoiles dans cette galaxie, mais elle s’est terminée il y a environ un milliard d’années”, a déclaré Coil.

Simulations et conclusions

Cassandra Lochhaas, boursière postdoctorale au Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics, spécialisée dans l’aspect théorique des vents galactiques et co-auteur de l’article, a exécuté une suite de simulations informatiques numériques pour reproduire la taille et les propriétés de la radio à grande échelle. anneau, y compris la grande quantité de gaz froid et choqué dans la galaxie centrale.

Ses simulations ont montré que des vents galactiques soufflaient pendant 200 millions d’années avant de s’arrêter. Lorsque le vent s’est arrêté, un choc vers l’avant a continué à propulser du gaz à haute température hors de la galaxie et a créé un anneau radio, tandis qu’un choc inverse a fait retomber du gaz plus froid sur la galaxie. La simulation s’est déroulée sur 750 millions d’années, soit dans la fourchette approximative de l’âge stellaire estimé à un milliard d’années d’ORC 4.

Simulation informatique d’un vent galactique sortant lancé avec une vitesse initiale de 450 kilomètres par seconde et un débit massique de 200 masses solaires par an, qui souffle du gaz hors de la galaxie pendant 200 millions d’années dans le milieu circumgalactique environnant. Le panneau de gauche affiche la température du gaz et le panneau de droite affiche la densité du gaz. Cette simulation fournit une explication possible de l’origine des cercles radio impairs. Crédit : Cassandra Lochhaas / Institut scientifique du télescope spatial

« Pour que cela fonctionne, il faut un débit de sortie de masse élevé, ce qui signifie qu’il faut éjecter beaucoup de matériaux très rapidement. Et le gaz environnant juste à l’extérieur de la galaxie doit être de faible densité, sinon le choc s’arrête. Ce sont les deux facteurs clés », a déclaré Coil. « Il s’avère que les galaxies que nous étudions ont des taux de sortie de masse élevés. Ils sont rares, mais ils existent. Je pense vraiment que cela indique que les ORC proviennent d’une sorte de vent galactique sortant.

Non seulement les vents sortants peuvent aider les astronomes à comprendre les ORC, mais les ORC peuvent également aider les astronomes à comprendre les vents sortants. “Les ORC nous permettent de” voir “les vents grâce aux données radio et à la spectroscopie”, a déclaré Coil.

« Cela peut nous aider à déterminer la fréquence de ces vents galactiques extrêmes et quel est le cycle de vie du vent. Ils peuvent également nous aider à en apprendre davantage sur l’évolution galactique : toutes les galaxies massives passent-elles par une phase ORC ? Les galaxies spirales deviennent-elles elliptiques lorsqu’elles ne forment plus d’étoiles ? Je pense que nous pouvons apprendre beaucoup de choses sur les ORC et apprendre des ORC.

Référence : « Le gaz ionisé s’étend sur 40 kpc dans une galaxie hôte de cercle radio étrange » par Alison L. Coil, Serena Perrotta, David SN Rupke, Cassandra Lochhaas, Christy A. Tremonti, Aleks Diamond-Stanic, Drummond Fielding, James E. Geach , Ryan C. Hickox, John Moustakas, Gregory H. Rudnick, Paul Sell et Kelly E. Whalen, 8 janvier 2024, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-023-06752-8