Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Wrzesień 2022

< poprzedni Archiwum następny >

Zgłębianie tajemnic galaktyk jasnych w podczerwieni

W latach 80-tych IRAS, satelita obserwujący kosmos w podczerwieni, natrafił na kilka jasnych źródeł promieniowania podczerwonego, zbyt słabych, by dało się je wykryć w poprzednich astronomicznych przeglądach nieba. Obiekty te zostały sklasyfikowane jako galaktyki podczerwone. Galaktyki jasne w podczerwieni (ang. Luminous infrared galaxies, LIRGs), jak nazwa wskazuje, charakteryzują się ogromną ilością energii emitowanej na falach podczerwonych (L_IR > 10¹¹ L_☉). Większość tej emisji w podczerwieni jest związana z ciepłym pyłem podgrzewanym przez aktywne jądra galaktyk lub wybuchy procesów formowania się gwiazd, albo oba te zjawiska zachodzące jednocześnie. Galaktyki te stanowią zatem unikalne laboratorium do kompleksowych badań nad powstawaniem gwiazd i aktywnością AGN-ów.

Widmowy rozkład energii (ang. spectral energy distribution, SED) galaktyk, choć zdominowany przez emisję w podczerwieni, rozciąga się od fal rentgenowskich po radiowe. Jest to wynik złożonych oddziaływań fizycznych pomiędzy ich głównymi składnikami barionowymi, takimi jak gwiazdy w różnym wieku i ich pozostałości, gaz molekularny, atomowy i zjonizowany, kosmiczny pył oraz supermasywne czarne dziury. Panchromatyczny rozkład energii SED każdej galaktyki zawiera w sobie zatem ślad wszystkich tych barionowych procesów, które jednocześnie wpływają na jej powstawanie i ewolucję. Porównanie wykresów SED dla różnych zakresów widma elektromagnetycznego daje nam istotny wgląd w pochodzenie i naturę emisji galaktyk oraz czynniki determinujące ich bilans energetyczny.

Z taką motywacją zespół naukowców z OAUJ przeprowadził modelowanie SED w zakresie od fal radiowych po daleki ultrafiolet (FUV) dla próbki 11 lokalnych galaktyk typu LIRG, włączając w to ich nowe obserwacje wykonane na częstotliwościach 325 i 610 MHz przy użyciu interferometru radiowego Giant Metrewave Radio Telescope. W swojej pracy naukowcy przedstawiają wyniki szczegółowego modelowania radiowego SED obejmującego pasma od ~80 MHz do ~15 GHz, a także modelowania SED dla fal UV i radiowych przeprowadzonego z wykorzystaniem kodu CIGALE (Code Investigating GALaxy Emission).

Zintegrowane radiowe SED są modelowane z uwzględnieniem fizycznie uzasadnionych scenariuszy, w których kontinuum radiowe pochodzi z jednego lub dwóch obszarów emisyjnych, charakteryzujących się takimi samymi lub różnymi populacjami elektronów promieniowania kosmicznego i głębokościami optycznymi. Z tego względu modelowanie SED samego pasma radiowego daje w przypadku niektórych galaktyk złożone kształty z wieloma przełomami (Rys. 1) zamiast prostego widma potęgowego.






Jednym z podstawowych celów tej pracy było porównanie własności astrofizycznych wynikających z modelowania SED w paśmie radiowym i w zakresie od fal FUV do radiowych. Kształty SED odzwierciedlają prawa rządzące promieniowaniem i jego parametry, takie jak energetyczny indeks potęgowy czy emisyjność, oraz procesy fizyczne wpływające na te parametry, takie jak mechanizmy chłodzenia lub ogrzewania w danym ośrodku. Dodatkowo zintegrowane SED podają całkowitą energię uzyskaną dla różnych reżimów częstotliwościowych, a ich porównanie dostarcza nam najważniejszych informacji o naturze emisji i ogólnych czynnikach decydujących o bilansie energetycznym danej galaktyki. W omawianych badaniach przeprowadzono modelowanie SED, w którym parametry modelu zostały oszacowane przy użyciu najnowocześniejszych technik wnioskowania bayesowskiego (w samym paśmie radiowym) i zbliżonego do podejścia bayesowskiego (modelowanie kodem CIGALE). Modelowanie SED dla samego zakresu radiowego pozwoliło rozłożyć widmo na nietermiczne i termiczne składniki radiowe, natomiast kod CIGALE umożliwił dopasowanie złożonych modeli historii powstawania gwiazd, takich jak opóźnione formowanie się gwiazd z eksponencjalnym wybuchem aktywności gwiazdotwórczej, co pozwoliło zespołowi na oszacowanie współczynnika tempa formowania się gwiazd na falach podczerwonych (SFR_IR) w różnych przedziałach czasu.

Uderzającym wynikiem jest to, że otrzymano znacznie lepszą zgodność obserwowanej emisji radiowej (całkowitej i synchrotronowej) z młodą populacją gwiazd w wieku około 10 Myr niż w przypadku starszej populacji gwiazd (Rys. 3). Wynika to prawdopodobnie ze stosunkowo krótkiego czasu życia synchrotronowych elektronów promieniowania kosmicznego na częstotliwości 1,4 GHz. Przy tej częstotliwości, w polu magnetycznym o wartości około 50 μG, ich synchrotronowy czas życia wynosi ~3,3x10⁵ lat. Zatem obserwowana emisja synchrotronowa wydaje się skutecznym wskaźnikiem świadczącym o niedawnych procesach formowania się gwiazd w galaktykach. Wyniki tej analizy potwierdzają, że radiowe pomiary współczynnika SFR w paśmie 1,4 GHz mogą być wykorzystane jako narzędzie diagnostyczne również dla galaktyk o dużym przesunięciu ku czerwieni.



Oryginalna publikacja: Subhrata Dey, Arti Goyal, Katarzyna Małek, Timothy J. Galvin, Nicholas Seymour, Tanio Díaz Santos, Julia Piotrowska, Vassilis Charmandaris, Low frequency radio continuum imaging and SED modeling of 11 LIRGs: radio-only and FUV to radio bands. The article has been accepted for publication in ApJ.

Badania zostały przeprowadzone w Zakładach Astrofizyki Wysokich Energii oraz Radioastronomii i Fizyki Kosmicznej Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego (OA UJ). Praca była realizowana dzięki wsparciu finansowemu Narodowego Centrum Nauki poprzez grant 2018/29/B/ST9/02298 oraz Uniwersytetu Jagiellońskiego poprzez grant N17/MNS/000014.

Omówione wyniki badań zostały przedstawione w 3-minutowej prezentacji rozprawy doktorskiej w konkursie Coimbra. Subhrata Dey, pierwsza autorka publikacji, została w nim wyróżniona II miejscem oraz nagrodą publiczności za prezentację Investigating the mysterious Luminous infrared Galaxies.



Kontakt:

Subhrata Dey Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego S.Dey [@] oa.uj.edu.pl

Dr. hab Arti Goyal Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego Arti.Goyal [@] uj.edu.pl