天文学家在2019年发现了巨大的无线电波圈，称为orc。由Alison Coil教授领导的研究表明，这些是由星暴星系的星系风引起的，为星系演化和现象提供了新的见解。来源:SciTechDaily.com
并不是每天天文学家都会问:“那是什么?”毕竟，大多数观测到的天文现象都是已知的:恒星、行星、黑洞和星系。但在2019年，新完成的ASKAP(澳大利亚平方公里阵列探路者)望远镜发现了一些以前没有人见过的东西:无线电波圈如此之大，以至于在它们的中心包含了整个星系。
当天体物理学界试图确定这些圆圈是什么时，他们也想知道为什么会出现这些圆圈。现在，由加州大学圣地亚哥分校天文学和天体物理学教授Alison Coil领导的一个研究小组认为，他们可能已经找到了答案:这些圆圈是由流出的星系风形成的壳，可能来自被称为超新星的大质量爆炸恒星。他们的研究成果发表在《自然》杂志上。
奇怪的射电圈，如上图的ORC 1，大到足以在其中心容纳星系，直径达到数十万光年。来源:?J. English (U. Manitoba)/EMU/MeerKAT/DES(CTIO)
Coil和她的合作者一直在研究巨大的“星暴”星系，这些星系可以驱动这些超高速的流出风。星暴星系的恒星形成率异常高。当恒星死亡和爆炸时，它们会将恒星及其周围的气体驱逐回星际空间。如果有足够多的恒星同时在彼此附近爆炸，这些爆炸的力量可以将星系本身的气体推向流出的风，这些风可以以高达2000公里/秒的速度传播。
“这些星系真的很有趣，”Coil说，他也是天文学和天体物理学系主任。“当两个大星系碰撞时，它们就会发生。合并将所有的气体推入一个非常小的区域，这导致了恒星形成的强烈爆发。大质量恒星燃烧得很快，当它们死亡时，它们会以外流风的形式排出气体。”
巨大，稀有，来历不明
技术发展使ASKAP能够在非常微弱的限制下扫描大部分天空，这使得奇怪的无线电圈(orc)在2019年首次被探测到。orc非常巨大，直径达数百千秒差距，千秒差距等于3260光年(作为参考，银河系的直径约为30千秒差距)。
人们提出了多种理论来解释orc的起源，包括行星状星云和黑洞合并，但仅凭无线电数据无法区分这些理论。Coil和她的合作者对此很感兴趣，并认为无线电环可能是他们一直在研究的星暴星系后期阶段的发展。他们开始研究orc4，这是第一个从北半球观测到的ORC。
模拟从1.81亿年前开始的三个不同时期的星暴驱动的风。每张图像的上半部分显示气体温度，下半部分显示径向速度。图片来源:Cassandra Lochhaas /太空望远镜科学研究所
在此之前，人们只能通过射电辐射观测到兽人，没有任何光学数据。Coil的团队使用了位于夏威夷茂纳克亚的W.M. Keck天文台的集成场光谱仪来观察ORC 4，它显示了大量的高光、加热和压缩气体——远远超过了在普通星系中看到的气体。
由于问题多于答案，这个小组开始了侦探工作。通过光学和红外成像数据，他们确定orc4星系内的恒星大约有60亿年的历史。“在这个星系中有一个恒星形成的爆发，但它在大约10亿年前就结束了，”Coil说。
模拟与结论
Cassandra Lochhaas是哈佛&史密森天体物理中心的博士后，专门研究星系风的理论方面，也是该论文的合著者，他运行了一套数值计算机模拟来复制大规模无线电环的大小和特性，包括中央星系中大量的激波和冷却气体。
她的模拟显示，外流的星系风吹了2亿年才停止。当风停止时，向前移动的激波继续推动高温气体离开星系，并形成一个无线电环，而反向激波则将较冷的气体送回星系。这个模拟过程持续了7.5亿年，与ORC 4估计的10亿年的恒星年龄大致相当。
计算机模拟了一种外流的星系风，其初始速度为每秒450公里，每年的质量流出率为200个太阳质量，在2亿年的时间里，它将星系中的气体吹到周围的星系周围介质中。左图显示气体温度，右图显示气体密度。这个模拟为奇异射电圈的起源提供了一个可能的解释。图片来源:Cassandra Lochhaas /太空望远镜科学研究所
“要做到这一点，你需要一个高质量的流出率，这意味着它可以非常快地喷出大量物质。星系外的气体密度必须很低，否则激波就会停止。这是两个关键因素。”Coil说道。“事实证明，我们一直在研究的星系都有这些高质量的流出率。它们很罕见，但确实存在。我真的认为这表明兽人起源于某种流出的星系风。”
流出的风不仅可以帮助天文学家了解orc, orc也可以帮助天文学家了解流出的风。“orc为我们提供了一种通过无线电数据和光谱学‘看到’风的方法，”Coil说。
“这可以帮助我们确定这些极端外流的星系风有多普遍，以及风的生命周期是什么。它们还可以帮助我们了解更多关于星系演化的知识:所有大质量星系都经历过兽人阶段吗?当螺旋星系不再形成恒星时，它们会变成椭圆星系吗?我认为我们可以从兽人身上学到很多东西。”
参考资料:“电离气体在一个奇怪的无线电圈主星系中延伸超过40公里”，作者:Alison L. Coil, Serena Perrotta, David S. N. Rupke, Cassandra Lochhaas, Christy A. Tremonti, Aleks Diamond-Stanic, Drummond Fielding, James E. Geach, Ryan C. Hickox, John Moustakas, Gregory H. Rudnick, Paul Sell和Kelly E. Whalen, 2024年1月8日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06752 - 8
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