Beeldvorming met hoog contrast onthult onbekende structuur in Galaxy

Astronomen hebben zojuist een onbekende structuur ontdekt in een melkwegstelsel dat verborgen is in de “schaduwen”. Ze bereikten dit door het dynamische bereik van de Atacama Large Millimeter/Submm Matrix (Alma), het grootste astronomische project dat er bestaat, om zwakke radiostraling te detecteren.

Deze zwakke radiostraling, die een constante helderheid heeft ongeacht de radiofrequentie, strekt zich tienduizenden lichtjaren uit over het gaststelsel van quasar 3C 273, een beroemd kosmisch baken. Deze ontdekking kan helpen de geheimen van de evolutie van sterrenstelsels en de vorming van sterren te onthullen.

Als resultaat van het bereiken van beeldvorming met een hoog dynamisch bereik, heeft een team van astronomen in Japan voor het eerst een zwakke radio-emissie gedetecteerd die een gigantisch sterrenstelsel met actieve energie bedekt. Zwart gat in zijn centrum. De radiostraling van gas wordt rechtstreeks uitgezonden vanuit het centrale zwarte gat. Het team verwacht te begrijpen hoe het zwarte gat interageert met zijn gaststerrenstelsel door dezelfde technologie toe te passen op andere quasars.

3C 273, dat zich op een afstand van 2,4 miljard lichtjaar van de aarde bevindt, is een quasar. Een quasar is de kern van een melkwegstelsel waarvan wordt aangenomen dat het een enorme massa herbergt Zwart gat In het midden, dat het omringende materiaal opslokt en enorme straling vrijgeeft. In tegenstelling tot zijn lichtere naam, is 3C273 de eerste quasar die ooit is ontdekt, de helderste en de best bestudeerde. Het is een van de meest waargenomen bronnen met telescopen omdat het kan worden gebruikt als maatstaf voor locatie in de lucht: met andere woorden, 3C273 is een radiobaken.

Als je de koplamp van een auto ziet, maakt de verblindende helderheid het moeilijk om de donkere omgeving te zien. Hetzelfde gebeurt met telescopen wanneer ze heldere objecten observeren. Dynamisch bereik is het contrast tussen de helderste en donkerste kleuren in een afbeelding. Je hebt een hoog dynamisch bereik nodig om de lichte en donkere delen van een telescoop in één opname te detecteren. ALMA kan normaal gesproken een dynamisch beeldbereik hebben van ongeveer 100, maar in de handel verkrijgbare digitale camera’s hebben meestal een dynamisch bereik van enkele duizenden. Radiotelescopen zijn niet erg goed in het zien van dingen met een groot contrast.

3C273 staat al tientallen jaren bekend als de beroemdste quasar, maar de kennis heeft zich geconcentreerd op de heldere centrale kern, waar de meeste van zijn radiogolven vandaan komen. Er is echter weinig bekend over het gaststelsel zelf, omdat de combinatie van het zwakke, diffuse sterrenstelsel met de kern 3C273 zulke hoge dynamische bereiken vereist om te worden gedetecteerd. Het onderzoeksteam gebruikte een techniek genaamd zelfkalibratie om lekkage van radiogolven van 3C273 naar te verminderen heelal, die 3C273 zelf gebruikte om de effecten van fluctuaties in de atmosfeer van de aarde op het telescoopsysteem te corrigeren. Ze bereikten een dynamisch beeldbereik van 85.000, wat het ALMA-record is voor extragalactische objecten.

Quasar 3C273 waargenomen door de Hubble Space Telescope (HST) (links). Overmatige helderheid resulteert in radiale lichtlekken veroorzaakt door het licht dat door de telescoop wordt verstrooid. Rechtsonder is een hoogenergetische gasstraal te zien die rond het centrale zwarte gat schiet. | 3C273 radiobeeld waargenomen door ALMA, met zwakke en uitgebreide radiostraling (in blauw en wit) rond de kern (rechts). De heldere centrale bron is van het beeld afgetrokken. Hetzelfde vlak als de afbeelding links is in oranje te zien. Afbeelding tegoed: Komugi et al., NASA/ESA Hubble-ruimtetelescoop

Als resultaat van het bereiken van de beeldvorming met hoog dynamisch bereik, ontdekte het team een ​​zwakke radio-emissie van tienduizenden lichtjaren over het gaststelsel 3C273. Radio-emissies rond quasars suggereren meestal synchrotron-emissie, die afkomstig is van zeer energetische gebeurtenissen zoals stervormende uitbarstingen of ultrasnelle jets die uit de centrale kern komen. Een synchrotron-jet is ook aanwezig in 3C273, te zien rechtsonder op de afbeeldingen.

Het belangrijkste kenmerk van een synchrotron-emissie is dat de helderheid verandert met de frequentie, maar de zwakke radio-emissie die het team ontdekte, had een constante helderheid, ongeacht de radiofrequentie. Na alternatieve mechanismen te hebben overwogen, ontdekte het team dat deze zwakke, uitgebreide radio-emissie afkomstig was van waterstofgas in de melkweg dat direct wordt geactiveerd door een kern 3C 273. Dit is de eerste keer dat radiogolven van een dergelijk mechanisme tienduizenden licht overspannen -jaren in het gaststelsel voor Quasar. Astronomen negeren dit fenomeen al tientallen jaren bij deze beroemde kosmische vuurtoren.

Dus waarom is deze ontdekking zo belangrijk? Het is in de galactische astronomie een groot mysterie geweest of de energie van een quasarkern sterk genoeg zou kunnen zijn om een ​​melkwegstelsel het vermogen te ontzeggen om sterren te vormen. Een zwakke radio-emissie kan helpen om het op te lossen. Waterstofgas is een essentieel onderdeel van stervorming, maar als het zo fel wordt beschenen dat het gas is gedissocieerd (geïoniseerd), kunnen er geen sterren worden geboren. Om te onderzoeken of dit proces plaatsvindt rond quasars, hebben astronomen optisch licht gebruikt dat wordt uitgezonden door geïoniseerd gas. Het probleem met het werken met optisch licht is dat kosmisch stof het licht helemaal tot in de telescoop absorbeert, dus het is moeilijk om te weten hoeveel licht het gas uitstraalt.

Bovendien is het mechanisme dat verantwoordelijk is voor het afgeven van optisch licht complex, waardoor astronomen veel aannames moeten doen. De in dit onderzoek gedetecteerde radiogolven komen door eenvoudige processen uit hetzelfde gas en worden niet door stof geabsorbeerd. Het gebruik van radiogolven maakt het veel gemakkelijker om het geïoniseerde gas te meten dat door de 3C273-kern wordt geproduceerd. In deze studie ontdekten astronomen dat ten minste 7% van het licht van 3C 273 werd geabsorbeerd door gas in het gaststelsel, waarbij geïoniseerd gas werd geproduceerd met een massa van 10-100 miljard keer de massa van de zon. 3C 273 had echter veel gas net voor de stervorming, dus als geheel lijkt de stervorming niet sterk te zijn onderdrukt door de kern.

“Deze ontdekking biedt een nieuwe weg voor het bestuderen van problemen die eerder werden aangepakt met behulp van waarnemingen met optisch licht”, zegt Shinya Komoji, assistent-professor aan de Kogakuin University en hoofdauteur van de studie die is gepubliceerd in The Astrophysical Journal. “Door dezelfde technologie toe te passen op andere quasars, verwachten we te begrijpen hoe de melkweg evolueert door zijn interactie met de centrale kern.”

Referentie: “Detection of Millimeter-Extended Emissions in the Host Galaxy of 3C273 and its effects on QSO Feedback via High Dynamic Range for ALMA Imaging” door Shinya Komoji, Yoshiki Toba, Yoshiki Matsuoka, Toshiki Saito en Takuji Yamashita, 28 april 2022, Beschikbaar Hier. Astrofysisch tijdschrift.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac616e

Het team bestaat uit Shinya Komugi (Kogakuin University) en Yoshiki Toba (National Astronomical Observatory of Japan). [NAOJ]), Yoshiki Matsuoka (Ehime University), Toshiki Saito (NAOJ) en Takuji Yamashita (NAOJ).

Deze zoekopdracht werd ondersteund door JSPS KAKENHI Grant Numbers JP20K04015, JP21K13968 en JP19K14759.