Was macht galaktisch heiße HUNDE so heiß?

Sternexplosionen, aktive galaktische Kerne und mehr - diese seltsamen Übergangsgalaxien haben alles. Was ist los?

Auf galaktischen Skalen war das Universum vor ungefähr elf Milliarden Jahren ein interessanter Ort. Da die ältesten Galaxien bereits einige Milliarden Jahre alt waren, erlebten viele jetzt eine dramatische Zeit der Kollisionen und Fusionen. Dabei wurden große Gasmengen von supermassiven Schwarzen Löchern akkumuliert, was zum Aufstieg von Quasaren und aktiven galaktischen Kernen (AGNs) führte, während andere interstellare Wolken eine Welle der Sternentstehung auslösten.

NGC 5010 ist eine nahegelegene Lentikulargalaxie, die auch eine leuchtende Infrarotgalaxie (LIRG) ist, und eine Cousine mit niedriger Rotverschiebung einiger extrem heller staubverdeckter Galaxien mit hoher Rotverschiebung. Bildnachweis: NASA / ESA / Hubble.

Spektroskopisch gesehen entspricht diese Periode im Universum Rotverschiebungen im Bereich von z ~ 2–3. Es stellt sich heraus, dass viele der dramatischsten Galaxien mit diesen Rotverschiebungen in eine von zwei Hauptklassen fallen:

  • Sub-Millimeter-Galaxien (SMGs), die jedes Jahr Hunderte oder Tausende solare Gasmassen in Sterne verwandeln. Sie haben kalten Staub und zeigen eine starke Emission um 850 Mikrometer.
  • Staubverdeckte Galaxien (DOGs), die sich in einer Übergangsphase von einer sterndominierten Emission zu einer sterndominierten Emission einer AGN befinden.

Zu lernen, wie diese Klassen miteinander zusammenhängen, ist wirklich wichtig, um zu verstehen, wie die massereichsten elliptischen Galaxien wachsen und sich entwickeln. Dies bedeutete, dass Astronomen begeistert waren, als der Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) bei diesen Rotverschiebungen einen noch selteneren und mächtigeren Galaxientyp entdeckte. Zunächst nur als W1W2-Aussetzer bekannt, haben sie seitdem einen neuen Namen erhalten - Hot DOGs - und sich als einige der leuchtendsten Galaxien im Universum erwiesen.

Wie finden wir ULIRGs?

WISE suchte nach weiteren Beispielen für ultraleichte Infrarotgalaxien (ULIRGs), die Billionen von Sonnenleuchtkräften ausstrahlen. Sowohl SMGs als auch DOGs sind spezifische Teilpopulationen von ULIRGs, die bei z ~ 2–3 existieren, und es wurde erwartet, dass die WISE-Umfrage Beispiele für beide aufdeckt. Der Satellit untersuchte Ziele in vier mit W1 bis W4 bezeichneten Wellenlängenbändern, die Wellenlängen von 3,4, 4,6, 12 bzw. 22 μm entsprachen. ULIRGs sollten in den Fenstern W3 und W4 deutlich sichtbar sein, in W1 und W2 jedoch sehr schwach.

1, Wu et al. Eine Auswahl heißer HUNDE aus Sicht von WISE.

Sicher genug, tauchten eine Reihe von Galaxien auf, die diesen Kriterien entsprachen und als W1W2-Aussetzer - kurz W12-Tropfen - eingestuft wurden. Viele hatten Rotverschiebungen von z ~ 2–3. Fasziniert führten Astronomen Infrarot-Beobachtungen am Caltech Submillimeter Observatory (CSO) sowie optische Spektroskopie am Keck I-Teleskop durch (Wu et al. 2012). Das Spitzer-Weltraumteleskop konnte auch Kandidaten in den Fenstern W1 und W2 beobachten.

Das Team versuchte dann, eine Reihe verschiedener Galaxienvorlagen an die bestätigten Kandidaten anzupassen, um zu verstehen, was vor sich ging. Sie modellierten eine so genannte spektrale Energieverteilung (SED), die zeigt, wie energiereich ein Objekt bei verschiedenen Wellenlängen ist. Ihre Liste der Möglichkeiten umfasste Quasare, Staubtore um AGNs, Starburst-Galaxien wie Arp 220, DOGs und die Hybrid-AGN-Starburst-Galaxie Markarian 231.

5, Wu et al. Die SED-Vorlagen werden im Vergleich zu den tatsächlichen Daten für die beobachteten Kandidaten-W12-Tropfen angezeigt (schwarze Punkte, die durch blaue Linien verbunden sind). Der Staubtorus passt gut, außer bei niedrigen Wellenlängen.

Die Starburst-Modelle waren schrecklich, und während die AGN-Anpassungen etwas besser waren, konnte selbst die Staub-Torus-Schablone nicht alle wichtigen Eigenschaften erfüllen: relativ schwache Sub-Millimeter-Emission, ein SED nach dem Potenzgesetz bei Wellenlängen im mittleren Infrarot und so weiter eine kleine Beule, auch im mittleren Infrarot. Es gab auch einen Peak in der SED bei kürzeren Wellenlängen als in anderen Galaxien - was auf einen heißen Staub von 60–120 K hinweist. bekannter Galaxietyp bei z ~ 2–3. Mindestens ein Kandidat hatte mehr als erstaunliche 100 Billionen Sonnenlicht.

Wie mächtig kann ein heißer HUND sein?

Bevor wir darüber sprechen, wie W12-Tropfen in unsere Modelle der Galaxienentwicklung passen, sprechen wir über diesen extremen Kandidaten (Eisenhardt et al. 2012). Es ist kurz als WISE 1814 + 3412 bekannt und wurde zuerst von derselben Gruppe, die die W12drop-Galaxien als Ganzes analysierte, eingehend untersucht. Die Analyse des Kandidaten erwies sich als schwierig, da tatsächlich vier Hauptkomponenten mit den Bezeichnungen A bis D nebeneinander lagen. Komponente B ist ein Eindringling - ein roter Zwerg in der Milchstraße - während die anderen drei Komponenten Rotverschiebungen von zu haben scheinen z ~ 2,45. Die Spektren von A und D deuten auf sogenannte Lyman-Bruchgalaxien hin, eine besondere Art von Galaxien mit hoher Rotverschiebung und Sternentstehung, während C ein traditioneller Quasar zu sein scheint.

5, Eisenhardt et al. Die vier Komponenten von WISE 1814 + 3412 sind sichtbar, aber nur Komponente A ist wirklich die interessierende Quellgalaxie.

Weitere Analysen zeigen, dass Komponente A für den größten Teil der Emission verantwortlich ist und daher wirklich WISE 1814 + 3412 entspricht. Da keine Gravitationslinsen erkennbar sind, ist seine extreme Helligkeit von wesentlicher Bedeutung. Ungefähr 10% seiner Leuchtkraft kommt von Sternen, während der größte Teil von einer AGN zu stammen scheint. Das Problem mit dieser Galaxie ist, dass einige typische AGN-Spektralmerkmale fehlen, obwohl die Funkemission die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass diese Erklärung korrekt ist.

Unser bestes Modell der Galaxie umfasst einige hundert Milliarden Sonnenmassen von Sternen, die sich in etwa einer Milliarde Jahren gebildet haben. Das AGN wird von einem Schwarzen Loch mit einer Milliarde Sonnenmassen angetrieben - viel größer als das im Zentrum der Milchstraße, aber sicherlich nicht das massereichste, das es gibt. Interessant ist, dass das Verhältnis von Leuchtkraft zu Masse des Schwarzen Lochs nicht zu bekannten Beziehungen passt. Eine mögliche Lösung besteht darin, dass die AGN-Aktivität dominant ist, da die Sternentstehung noch nicht vollständig aufgenommen wurde. Dies wirft jedoch Probleme für die ULIRG-Evolutionsmodelle auf. Ungeachtet dessen scheint WISE 1814 + 3412 ein heißer Hund zu sein - so viel ist vereinbart.

7, Wu et al. W1814 + 3412 zeigt zusammen mit einer Auswahl anderer ULIRGs einen deutlichen Hinweis auf Staub, der sich von dem in Markarian 231, Arp 220 oder anderen besonderen Galaxien unterscheidet. Hot DOGs sind eindeutig eine separate Gruppe.

Wo passen sie in die ULIRG-Evolution?

Hunde selbst können nach ihren SEDs klassifiziert werden. Eine große Subpopulation zeigt eine Beule in ihren SEDs von 3–10 μm, während eine andere im mittleren IR ein klares Potenzgesetz zeigt. Man geht davon aus, dass die beiden verschiedene Entwicklungsstadien von DOG sind. Bump-DOGs weisen nach wie vor eine signifikante sternbildende Aktivität auf, während Power-Law-DOGs AGNs aufweisen, deren Leistung zunimmt. In diesem Rahmen wären W12drop-Galaxien sogenannte „Hot DOGs“, die jeweils eine extrem starke AGN aufweisen und von großen Staubmengen umgeben sind. Die SEDs benötigen jedoch immer noch einen Beitrag von Kaltstaub, was darauf hinweist, dass die Sternentstehung immer noch stark ist.

Was wirklich aufregend ist, ist, dass dies bedeutet, dass heiße HUNDE an einer Schlüsselstelle in der LIRG-Evolutionssequenz liegen könnten. Einige Gruppen haben angenommen, dass viele dieser Galaxien zu SMGs mit beeindruckenden Sternexplosionen werden, bevor sie zu DOGs werden, wenn die AGN-Aktivität zunimmt. Heiße HUNDE könnten am anderen Ende der Sequenz liegen, wobei WISE 1814 + 3412 eine seltsame Ausnahme darstellt. Hoffentlich können wir uns einen besseren Eindruck von ihrem Platz in der ULIRG-Evolution verschaffen, indem wir die Trends hinter SMGs und DOGs genauer verstehen. Vielleicht können Funkbeobachtungen die AGN-Aktivität noch besser beleuchten.

Ein künstlerischer Eindruck von WISE J224607.57–052635.0, einem ULIRG und der leuchtendsten bekannten Galaxie. Es kann aktiv mit anderen Galaxien verschmelzen und sein zentrales supermassives Schwarzes Loch füttern.