Bizarrerie spatiale : découvrir l'origine des rares cercles radio de l'univers

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Ce n'est pas tous les jours que les astronomes disent : « 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.

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 rayons lumineux. années (pour référence, la galaxie de la Voie lactée mesure environ 30 kiloparsecs de diamètre).

Plusieurs théories ont été proposées pour expliquer l'origine des ORC, notamment les fusions de nébuleuses planétaires et de trous noirs, 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.

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 observer ORC 4, qui a révélé une énorme quantité de gaz hautement lumineux, chauffé et comprimé, 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.

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.

« Pour que cela fonctionne, vous avez besoin d'un débit de sortie de masse élevé, ce qui signifie qu'il éjecte beaucoup de matière 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 Bobine. « Il s'avère que les galaxies que nous avons étudiées ont des débits 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.

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