Was macht galaktische heiße Hunde so heiß?

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

Auf galaktischen Ebenen war das Universum vor etwa elf Milliarden Jahren ein interessanter Ort. Da die ältesten Galaxien bereits einige Milliarden Jahre alt waren, durchlebten viele eine dramatische Periode von Zusammenstößen und Zusammenschlüssen. Dabei wurden große Mengen an Gas durch supermassive Schwarze Löcher akkumuliert, wodurch Quasare und aktive galaktische Kerne (AGNs) entstanden, während andere interstellare Wolken eine Welle der Sternentstehung auslösten.

NGC 5010 ist eine nahegelegene Lentikulargalaxie, die ebenfalls eine leuchtende Infrarotgalaxie (LIRG) ist, und ein Cousin mit einer geringen Rotverschiebung von extrem hellen, staubverhangenen Galaxien mit hoher Rotverschiebung. Bildnachweis: NASA / ESA / Hubble.

Spektral betrachtet, 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 von Sonnenmassen in Sterne verwandeln. Sie haben kalten Staub und zeigen eine starke Emission um 850 Mikrometer.
  • Staubverdeckte Galaxien (DOGs), die sich in einer Übergangsphase befinden, von der sie durch Sterne dominiert werden, bis sie von einem AGN dominiert werden.

Um zu verstehen, wie diese Klassen miteinander in Beziehung stehen, ist es wirklich wichtig, zu verstehen, wie die massigsten elliptischen Galaxien wachsen und sich entwickeln. Dies bedeutete, dass Astronomen begeistert waren, als der Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) bei diesen Rotverschiebungen eine noch seltenere und mächtigere Art von Galaxie zeigte. Anfangs nur als W1W2-Dropouts bekannt, haben sie seitdem einen neuen Namen - hot DOGs - erhalten und haben sich als eine der leuchtendsten Galaxien im Universum erwiesen.

Wie finden wir ULIRGs?

WISE suchte nach weiteren Beispielen für ultraluminöse Infrarotgalaxien (ULIRGs), die Billionen von Sonnenlichtstärken leuchten. Sowohl SMGs als auch DOGs sind spezifische Subpopulationen 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 Wellenlängenbändern, bezeichnet als W1 bis W4, die jeweils Wellenlängen von 3,4, 4,6, 12 und 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 der Sicht von WISE.

Sicher, einige Galaxien tauchten auf, die diesen Kriterien entsprachen und wurden als W1W2-Dropouts - kurz W12drops - kategorisiert. Viele hatten Rotverschiebungen von z ~ 2–3. Fasziniert führten Astronomen Infrarot-Beobachtungen am Caltech Sub-Millimeter 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 los war. Sie modellierten etwas, das als spektrale Energieverteilung (SED) bezeichnet wurde. Dies zeigt, wie energiegeladen ein Objekt bei verschiedenen Wellenlängen ist. Ihre Liste der Möglichkeiten umfasste Quasare, Staubtorii um AGNs, Starburstgalaxien wie Arp 220, DOGs und die Hybrid-AGN-Starburstgalaxie Markarian 231.

5, Wu et al. Die SED-Schablonen werden mit den tatsächlichen Daten der beobachteten W12-Drop-Kandidaten (schwarze Punkte, die durch blaue Linien verbunden sind) verglichen. Der Staubtorus passt gut, außer bei niedrigen Wellenlängen.

Die Starburst-Modelle waren schrecklich, und während die AGN-Anpassungen etwas besser waren, paßte selbst die Staubtorus-Schablone nicht alle Schlüsselmerkmale: relativ schwache Sub-Millimeter-Emission, eine Power-Law-SED bei mittleren Infrarotwellenlängen und dann eine kleine Erhebung, auch im mittleren Infrarot. Es gab auch einen Peak in der SED bei kürzeren Wellenlängen als in anderen Galaxien - was auf heißen Staub von 60–120 K hinweist. Die SED-Modelle zeigten auch, dass W12-Tropfen etwa 10–20 Mal stärker leuchteten als DOGs, SMGs oder zuvor. bekannter Galaxietyp bei z ~ 2–3. Mindestens ein Kandidat überschritt erstaunliche 100 Billionen Sonnenlichtstärken.

Wie stark kann ein heißer HUND sein?

Bevor wir darüber sprechen, wie W12drops in unsere Modelle der Galaxienentwicklung passen, wollen wir über diesen extremen Kandidaten sprechen (Eisenhardt et al. 2012). Bekannt als WISE 1814 + 3412, wurde es zuerst von derselben Gruppe, die die W12-Drop-Galaxien als Ganzes untersuchte, ausführlich untersucht. Die Analyse des Kandidaten erwies sich als schwierig, da sich tatsächlich vier Hauptkomponenten mit den Bezeichnungen A bis D in der Nähe befanden. Komponente B ist ein Eindringling - ein roter Zwerg in der Milchstraße -, während die anderen drei Komponenten Rotverschiebungen aufweisen z ~ 2,45. Die Spektren von A und D weisen auf sogenannte Lyman-Bruchgalaxien hin, einen besonderen Typ einer sternbildenden Galaxie mit hoher Rotverschiebung, während C ein herkömmlicher 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.

Eine weitere Analyse zeigt, dass Komponente A für den Großteil der Emission verantwortlich ist und daher wirklich WISE 1814 + 3412 entspricht. Ohne Anzeichen von Gravitationslinsen ist ihre extreme Helligkeit von Natur aus. Etwa 10% der Leuchtkraft stammen von Sternen, während der Rest zum größten Teil von einer AGN stammt. Das Problem bei dieser Galaxie ist, dass einige typische AGN-Spektralmerkmale fehlen, obwohl die Radioemission die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass diese Erklärung richtig ist.

Unser bestes Modell der Galaxie umfasst einige hundert Milliarden Sonnenmassen von Sternen, die sich über eine Milliarde Jahre gebildet haben. Das AGN wird von einem schwarzen Solaren-Loch von einer Milliarde Dollar angetrieben - viel größer als das Zentrum in der Milchstraße, aber sicherlich nicht das bekannteste. Interessant ist, dass das Verhältnis von Leuchtkraft zu Masse von schwarzen Löchern nicht in bekannte Beziehungen passt. Eine mögliche Lösung ist, dass die AGN-Aktivität dominiert, da die Sternentstehung noch nicht vollständig aufgenommen wurde. Dies wirft jedoch Probleme für die evolutionären Modelle von ULIRG auf. Trotzdem scheint WISE 1814 + 3412 ein heißer Hund zu sein - so viel ist vereinbart.

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

Wo passen sie in die ULIRG-Entwicklung?

HUNDE selbst können nach ihren SEDs klassifiziert werden. Eine größere Subpopulation zeigt einen Anstieg in ihren SEDs von 3–10 μm, während eine andere ein klares Potenzgesetz im mittleren IR zeigt. Es wird davon ausgegangen, dass es sich bei beiden um verschiedene Stadien der DOG-Evolution handelt. Bump-DOGs haben immer noch eine bedeutende Sternentstehungsaktivität, während DOGs mit Machtgesetz über AGNs verfügen, deren Macht zunimmt. In diesem Rahmen wären W12drop-Galaxien sogenannte "hot DOGs", die jeweils ein extrem starkes AGN aufweisen, das von großen Staubmengen umgeben ist. Die SEDs benötigen jedoch immer noch einen Beitrag von kaltem Staub, was darauf hindeutet, dass die Sternentstehung immer noch stark ist.

Was wirklich aufregend ist, bedeutet dies, dass heiße DOGs in einem Schlüsselpunkt der evolutionären Sequenz von LIRG liegen könnten. Einige Gruppen haben die Theorie aufgestellt, dass viele dieser Galaxien SMGs mit beeindruckenden Starbursts werden, bevor sie zu DOGs werden, wenn die AGN-Aktivität zunimmt. Hot DOGs könnten am Ende der Sequenz liegen, wobei WISE 1814 + 3412 eine seltsame Ausnahme darstellt. Hoffentlich können wir uns einen besseren Überblick über ihren Platz in der ULIRG-Entwicklung verschaffen, indem wir die Trends hinter SMGs und DOGs detaillierter verstehen. Vielleicht können Funkbeobachtungen die AGN-Aktivität noch stärker beleuchten.

Ein künstlerischer Eindruck von WISE J224607.57–052635.0, einem ULIRG und der bekanntesten leuchtenden Galaxie. Es kann sich aktiv mit anderen Galaxien vermischen und sein zentrales supermassives schwarzes Loch füttern.