Galaksen svævede i et roligt hav af halogas

Ved at bruge et kosmisk mysterium til at undersøge et andet, astronomer har analyseret signalet fra et hurtigt radioudbrud, en gådefuld eksplosion af kosmiske radiobølger, der varer mindre end et millisekund, at karakterisere den diffuse gas i haloen i en massiv galakse.

En stor halo af gas med lav densitet strækker sig langt ud over den lysende del af en galakse, hvor stjernerne er koncentreret. Selvom dette er varmt, diffus gas udgør mere af en galakses masse end stjerner gør, det er næsten umuligt at se. I november 2018, astronomer opdagede et hurtigt radioudbrud, der passerede gennem glorie af en massiv galakse på vej mod Jorden, giver dem mulighed for for første gang at få ledetråde til arten af ​​halogassen fra et undvigende radiosignal.

"Signalet fra det hurtige radioudbrud afslørede karakteren af ​​det magnetiske felt omkring galaksen og strukturen af ​​halogassen. Undersøgelsen beviser en ny og transformativ teknik til at udforske arten af ​​galaksehaloer, " sagde J. Xavier Prochaska, professor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz og hovedforfatter af et papir om de nye resultater offentliggjort online 26. september i Videnskab .

Astronomer ved stadig ikke, hvad der producerer hurtige radioudbrud, og først for nylig har de været i stand til at spore nogle af disse meget korte, meget lyse radiosignaler tilbage til de galakser, hvor de opstod. Burst fra november 2018 (kaldet FRB 181112) blev opdaget og lokaliseret af instrumentet, der var banebrydende for denne teknik, CSIROs Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP) radioteleskop. Opfølgende observationer med andre teleskoper identificerede ikke kun dens værtsgalakse, men også en lysstærk galakse foran den.

"Da vi overlejrede radio- og optiske billeder, vi kunne med det samme se, at det hurtige radioudbrud gennemborede haloen af ​​denne sammenfaldende forgrundsgalakse og, for første gang, vi havde en direkte måde at undersøge dette ellers usynlige stof omkring denne galakse på, " sagde medforfatter Cherie Day ved Swinburne University of Technology, Australien.

En galaktisk glorie indeholder både mørkt stof og almindeligt ("baryonisk") stof, som forventes for det meste at være varm ioniseret gas. Mens den lysende del af en massiv galakse kan være omkring 30, 000 lysår på tværs, dens omtrent sfæriske glorie er ti gange større. Halogas brænder for stjernedannelsen, når den falder ind mod centrum af galaksen, mens andre processer (såsom supernovaeksplosioner) kan skubbe materiale ud af de stjernedannende områder og ind i den galaktiske glorie. En grund til, at astronomer ønsker at studere halogassen, er for bedre at forstå disse udstødningsprocesser, som kan lukke ned for stjernedannelse.

"Halogassen er en fossil registrering af disse udstødningsprocesser, så vores observationer kan informere teorier om, hvordan stof udstødes, og hvordan magnetiske felter føres gennem galakser, " sagde Prochaska.

Mod forventning, resultaterne af den nye undersøgelse indikerer en meget lav tæthed og et svagt magnetfelt i haloen af ​​denne mellemliggende galakse.

"Denne galakses glorie er overraskende rolig, " sagde Prochaska. "Radiosignalet var stort set uforstyrret af galaksen, hvilket er i skarp kontrast til, hvad tidligere modeller forudsiger ville være sket med eksplosionen."

Signalet fra FRB 181112 bestod af flere impulser, hver varer mindre end 40 mikrosekunder (ti tusinde gange kortere end et øjenblink). Den korte varighed af pulserne sætter en øvre grænse for tætheden af ​​halogassen, fordi passage gennem et tættere medium ville forlænge radiosignalerne. Forskerne har beregnet, at tætheden af ​​halogassen skal være mindre end en tiendedel af et atom pr. kubikcentimeter (svarende til flere hundrede atomer i et volumen på størrelse med en barneballon).

"Som den glitrende luft på en varm sommerdag, den spinkle atmosfære i denne massive galakse burde fordreje signalet fra det hurtige radioudbrud. I stedet modtog vi en puls så uberørt og skarp, at der overhovedet ikke er nogen signatur af denne gas, " sagde medforfatter Jean-Pierre Macquart, en astronom ved International Center for Radio Astronomy Research ved Curtin University, Australien.

Densitetsbegrænsningerne begrænser også muligheden for turbulens eller skyer af kølig gas i haloen ("cool" er et relativt udtryk, henviser her til temperaturer omkring 10, 000 Kelvin, versus den varme halogas på omkring 1 million Kelvin). "En foretrukket model er, at haloer er gennemsyret af skyer af klumpet gas. Vi finder ingen beviser for disse skyer overhovedet, " sagde Prochaska.

FRB-signalet giver også information om magnetfeltet i haloen, som påvirker polariseringen af ​​radiobølgerne. At analysere polarisationen som en funktion af frekvensen giver et "rotationsmål" for haloen, hvilket forskerne fandt var meget lavt. "Det svage magnetfelt i haloen er en milliard gange svagere end en køleskabsmagnets, " sagde Prochaska.

På dette tidspunkt, med resultater fra kun én galaktisk glorie, forskerne kan ikke sige, om den uventede lave tæthed og magnetiske feltstyrke er usædvanlige, eller om tidligere undersøgelser af galaktiske glorier har overvurderet disse egenskaber. ASKAP og andre radioteleskoper vil bruge hurtige radioudbrud til at studere mange flere galaktiske glorier og løse deres egenskaber.

"Denne galakse kan være speciel, " sagde Prochaska. "Vi bliver nødt til at bruge FRB'er til at studere titusinder eller hundredvis af galakser over en række masser og aldre for at vurdere den fulde befolkning."