Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Lipiec 2024

< poprzedni Archiwum

Panchromatyczne modelowanie SED galaktyk jasnych w podczerwieni

W ciągu ostatnich dwóch dekad nasza wiedza o formowaniu się i ewolucji galaktyk przeszła rewolucyjną transformację, do czego przyczyniły się liczne dane zbierane w ramach wielozakresowych przeglądów nieba: fotometrycznych i spektroskopowych. Obserwacje te odgrywają kluczową rolę w zrozumieniu historii powstawania gwiazd we Wszechświecie, wyznaczaniu przesunięcia ku czerwieni pierwszych protogalaktyk oraz w śledzeniu procesów ewolucyjnych, w których, z początkowo niewielkich obiektów, urosły z czasem do masywnych galaktyk obserwowanych dzisiaj.

Wszystkie procesy ewolucyjne pozostawiają swój ślad zarówno w globalnym, jak i bardziej szczegółowym kształcie widma galaktyki, w każdym z nich dominujący na różnych długościach fali. Emisja galaktyk w zakresie od promieni gamma do fal radiowych jest wynikiem złożonej fizycznej interakcji między ich głównymi składnikami barionowymi: gwiazdami o różnym wieku i ich pozostałościami, gazem molekularnym, atomowym i zjonizowanym, pyłem oraz supermasywnymi czarnymi dziurami. Kompleksowe podejście do modelowania panchromatycznych spektralnych rozkładów energii (ang. spectral energy distribution, SED) jest zatem ważnym narzędziem, pozwalającym nam na lepsze zrozumienie ewolucji galaktyk.

W badaniach skupiliśmy się na wypełnieniu luki między modelowaniem SED w zakresie od ultrafioletu (UV) do podczerwieni (IR), a modelowaniem widm galaktyk w samym tylko zakresie radiowym, które tradycyjnie były dotąd zwykle przeprowadzane niezależnie. Teraz, dzięki połączeniu obu tych reżimów obserwacji, udało się wychwycić wzajemne powiązania pomiędzy leżącymi u ich podstaw procesami fizycznymi i uzyskać bardziej kompleksowe zrozumienie procesów ewolucji galaktyk.

W tym przypadku modelowanie SED przeprowadzono dla galaktyk bardzo jasnych w podczerwieni, czyli obiektów typu U/LIRGs. Źródłem większości emisji w podczerwieni tych galaktyk jest ciepły pył podgrzewany przez aktywne jądra galaktyk (AGNy) lub gwałtowne procesy gwiazdotwórcze (ang. SFR) napędzane łączeniem się ze sobą galaktyk. Jest to zgodne z powszechnie akceptowanym scenariuszem ewolucji, w którym galaktyki U/LIRG znajdują się na określonym etapie w sekwencji ewolucyjnej, tj. między galaktykami bogatymi w gaz i czerwonymi, “martwymi” galaktykami eliptycznymi. Z tego względu stanowią one doskonałe laboratoria do szczegółowych badań procesów fizycznych związanych z hierarchiczną przemianą galaktyk gwiazdotwórczych w galaktyki eliptyczne.

Przeprowadziliśmy szczegółowe modelowanie SED dla 14 niezbyt odległych ULIRG w oparciu o bardzo dobrej jakości dane fotometryczne pozyskane z literatury, obejmujące zakres UV i daleką podczerwień (ang. FIR) oraz pasmo radiowe. Łącząc te wyniki z wynikami naszych poprzednich badań 11 obiektów typu LIRG (Dey et al. 2022), analizujemy teraz globalne parametry astrofizyczne łącznej próbki 25 galaktyk typu starburst (tzw. galaktyki gwiazdotwórcze) leżących na przesunięciach ku czerwieni z < 0,5.

Na potrzeby modelowania promieniowania radiowego skonstruowaliśmy serię widm dla zakresu od 54 MHz do 30 GHz. Naszym celem było wyizolowanie z całkowitego widma składnika termicznego generowanego w wyniku emisji swobodno-swobodnej oraz zidentyfikowanie efektów absorpcji swobodno-swobodnej (ang. FFA) na niskich częstotliwościach. Emisja swobodno-swobodna jest ściśle związana z formowaniem się gwiazd, co czyni ją doskonałym narzędziem do pomiarów SFR, możliwym do zastosowania także w przypadku odległych (duże przesunięcie ku czerwieni) galaktyk tworzących gwiazdy, które będzie można zdetektować dopiero w przyszłości przy użyciu nowego bardzo czułego instrumentu radiowego Square Kilometre Array (SKA).

Nasza analiza wielopunktowych widm w samym tylko zakresie radiowym dla LIRG i ULIRG wykazała, że rzadko można opisać je pojedynczymi rozkładami potęgowymi. Zamiast tego zaobserwowano liczne wygięcia i załamania (Ilustracja 1). Są one przypisywane wielu obszarom gwiazdotwórczym o różnym składzie lub orientacji w stosunku do obserwatora, które zostały rozmyte przez dużą wiązkę radiową. Niektóre galaktyki ULIRG zostały zidentyfikowane jako radiowo głośne ze względu na obecność w ich centrach “młodych” AGN-ów o wypukłych widmach, tzw. GPSów (ang. Gigahertz-Peaked Spectrum). Załamania w radiowej części widma przypisano jednak raczej FFA niż samoabsorpcji promieniowania synchrotronowego (ang. SSA). Podobnie, na wyższych częstotliwościach radiowych często obserwowane były załamania lub wystromienia, wskazujące na obecność dodatkowego składnika wywołującego absorpcję typu FFA.

Przy modelowaniu SED w zakresie UV-IR-radio wykorzystaliśmy publicznie dostępne dane dla 20-30 kilkudziesięciu pasm, pochodzące z różnych kosmicznych instrumentów obserwacyjnych. Do modelowania SED wykorzystaliśmy narzędzie Code Investigating GALaxy Emission (CIGALE) (Rysunek 2). Kod CIGALE jest szeroko stosowany do modelowania galaktyk gwiazdotwórczych, LIRG i ULIRG, ale tylko w nielicznych badaniach uwzględniono dotąd także pomiary radiowe w procesie dopasowania SED. Włączenie pomiarów radiowych do modelowania CIGALE pozwala przede wszystkim na pokonanie ograniczeń związanych z emisją pyłu i szybkością formowania się gwiazd (współczynnikiem SFR). W naszej pracy podkreślamy znaczenie jednoczesnego modelowania danych radiowych oraz UV-IR w celu lepszego scharakteryzowania globalnych właściwości galaktyk.




Original publication: Subhrata Dey, Arti Goyal, Katarzyna Małek, Tanio Díaz-Santos, Insights into the Global Properties of Infrared Bright Galaxies, The Astrophysical Journal 966, 161, 31 (2024).

Opisane wyniki są częścią badań prowadzonych w Zakładzie Astrofizyki Wysokich Energii Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.


Kontakt:

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