Cosa rende i hot dog galattici così hot?

Scoppi di stelle, nuclei galattici attivi e altro ancora: queste strane galassie di transizione hanno tutto. Cosa sta succedendo?

Su scala galattica, l'universo circa undici miliardi di anni fa era un luogo interessante. Con le galassie più antiche che avevano già qualche miliardo di anni, molte stavano attraversando un drammatico periodo di collisioni e fusioni. Nel processo, grandi quantità di gas sono state accumulate da buchi neri supermassicci, portando all'ascesa di quasar e nuclei galattici attivi (AGN), mentre altre nuvole interstellari hanno generato un'onda di formazione stellare.

NGC 5010 è una galassia lenticolare vicina che è anche una galassia a infrarossi luminosa (LIRG) e un cugino a basso spostamento verso il rosso di alcune galassie estremamente luminose con polvere a scorrimento rosso estremamente brillante. Credito d'immagine: NASA / ESA / Hubble.

Parlando spettroscopicamente, questo periodo nell'universo corrisponde a spostamenti in rosso nell'intervallo z ~ 2–3. Si scopre che molte delle galassie più drammatiche con questi spostamenti verso il rosso rientrano in una delle due classi principali:

  • Galassie sub-millimetriche (SMG), che trasformano centinaia o migliaia di masse solari di gas in stelle ogni anno. Hanno polvere fredda e mostrano forti emissioni intorno a 850 micron.
  • Galassie oscurate dalla polvere (DOG), che si trovano in una fase di transizione dal fatto che la loro emissione è dominata dalle stelle alla cui emissione è dominata da un AGN.

Imparare come queste classi si relazionano l'una con l'altra è davvero importante per la nostra comprensione di come crescono e si evolvono le galassie ellittiche più massicce. Ciò significava che gli astronomi erano entusiasti quando il Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) rivelò un tipo ancora più raro e più potente di galassia in questi spostamenti verso il rosso. Conosciuti inizialmente solo come drop-out W1W2, da allora hanno ricevuto un nuovo nome - hot dog - e hanno dimostrato di essere alcune delle galassie più luminose dell'universo.

Come troviamo gli ULIRG?

WISE stava cercando altri esempi di galassie infrarosse ultra luminose (ULIRG), che brillano a miliardi di miliardi di luminosità solari. Sia gli SMG che i DOG sono sottopopolazioni specifiche di ULIRG che esistono da z ~ 2–3, e il sondaggio WISE avrebbe dovuto fornire esempi di entrambi. Il satellite ha studiato bersagli in quattro bande di lunghezze d'onda, indicate da W1 a W4, che corrispondevano rispettivamente a lunghezze d'onda di 3,4, 4,6, 12 e 22 μm. Gli ULIRG dovrebbero essere chiaramente visibili nelle finestre W3 e W4, ma molto deboli in W1 e W2.

Figura 1, Wu et al. Una selezione di hot dog, come visto da WISE.

Abbastanza sicuro, un numero di galassie si presentò che corrispondeva a questi criteri, e sono stati classificati come abbandoni W1W2 - abbreviato W12. Molti avevano redshift di z ~ 2–3. Incuriositi, gli astronomi hanno eseguito osservazioni infrarosse di follow-up presso l'Osservatorio sub-millimetrico Caltech (CSO), nonché spettroscopia ottica sul telescopio Keck I (Wu et al. 2012). Lo Spitzer Space Telescope è stato anche in grado di osservare i candidati nelle finestre W1 e W2.

Il team ha quindi cercato di adattare una serie di diversi modelli di galassie ai candidati confermati per cercare di capire cosa stesse succedendo. Hanno modellato qualcosa chiamato distribuzione spettrale di energia (SED), che mostra quanto sia energico un oggetto a diverse lunghezze d'onda. Il loro elenco di possibilità comprendeva quasar, torii di polvere attorno agli AGN, galassie di starburst come Arp 220, DOG e la galassia ibrida di starburst AGN Markarian 231.

Figura 5, Wu et al. I modelli SED vengono visualizzati rispetto ai dati effettivi per i candidati osservati W12drops (punti neri collegati da linee blu). Il toro della polvere si adatta bene ad eccezione di lunghezze d'onda basse.

I modelli starburst erano terribili, e mentre gli adattamenti AGN erano leggermente migliori, anche il modello del toro della polvere non poteva adattarsi a tutte le caratteristiche chiave: emissione sub-millimetrica relativamente debole, un SED di legge di potenza alle lunghezze d'onda dell'infrarosso medio, e poi un piccolo bernoccolo, anche nell'infrarosso medio. C'era anche un picco nel SED a lunghezze d'onda più brevi rispetto ad altre galassie - indicativo di polvere calda di 60–120 K. I modelli SED hanno anche mostrato che i gocce W12 erano circa 10-20 volte più luminosi dei DOG, degli SMG o di qualsiasi altro- tipo noto di galassia a z ~ 2–3. Almeno un candidato superava i 100.000 miliardi di luminosita 'solari.

Quanto può essere potente un hot dog?

Prima di parlare di come i W12drops si adattano ai nostri modelli di evoluzione della galassia, parliamo di quel candidato estremo (Eisenhardt et al. 2012). Conosciuta come WISE 1814 + 3412 in breve, è stata prima studiata in dettaglio dallo stesso gruppo che ha analizzato le galassie W12drop nel loro insieme. Analizzare il candidato si rivelò complicato, perché in realtà c'erano quattro componenti principali uno vicino all'altro, etichettati da A a D. Il componente B è un intruso - un nano rosso all'interno della Via Lattea - mentre gli altri tre componenti sembrano avere spostamenti rossi di z ~ 2.45. Gli spettri di A e D sono indicativi delle cosiddette galassie a rottura di Lyman, un tipo particolare di galassia a forma di stella ad alto spostamento verso il rosso, mentre C sembra essere un quasar tradizionale.

Figura 5, Eisenhardt et al. I quattro componenti di WISE 1814 + 3412 sono visibili, ma solo il componente A è veramente la galassia di origine di interesse.

Ulteriori analisi indicano che il componente A è responsabile della maggior parte delle emissioni e quindi corrisponde veramente a WISE 1814 + 3412. Senza prove di lenti gravitazionali, la sua estrema luminosità è intrinseca. Circa il 10% della sua luminosità proviene da stelle, mentre la maggior parte del resto sembra provenire da un AGN. Il problema con questa galassia è che alcune caratteristiche spettrali AGN sono assenti, sebbene l'emissione radio aumenti la probabilità che questa spiegazione sia corretta.

Il nostro miglior modello della galassia include alcune centinaia di miliardi di masse solari di stelle che si sono formate in circa un miliardo di anni. L'AGN è alimentato da un miliardo di buco nero di massa solare - molto più grande di quello al centro della Via Lattea, ma certamente non il più massiccio conosciuto. La cosa interessante è che il rapporto tra luminosità e massa del buco nero non si adatta alle relazioni note. Una possibile soluzione è che l'attività dell'AGN sia dominante perché la formazione stellare deve ancora riprendersi completamente, ma ciò pone problemi ai modelli evolutivi ULIRG. Indipendentemente da ciò, tuttavia, WISE 1814 + 3412 sembra essere un hot dog - tanto è stato concordato.

Figura 7, Wu et al. W1814 + 3412, insieme a una selezione di altri ULIRG, che mostrano una chiara indicazione di polvere a differenza di Markarian 231, Arp 220 o altre galassie peculiari. I hot dog sono chiaramente un gruppo separato.

Dove si inseriscono nell'evoluzione ULIRG?

I cani stessi possono essere classificati in base ai loro SED. Una grande sottopopolazione mostra una protuberanza nei loro SED da 3 a 10 μm, mentre un'altra mostra una chiara legge di potenza nella metà IR. Si pensa che i due siano stadi distinti dell'evoluzione del CANE; i DOG di Bump hanno ancora un'attività significativa di formazione stellare, mentre i DOG di potere hanno AGN che stanno crescendo di potere. In questo quadro, le galassie W12drop sarebbero i cosiddetti "hot dog", ciascuno con un AGN estremamente potente circondato da grandi quantità di polvere. Tuttavia, i SED richiedono ancora un contributo dalla polvere fredda, indicando che la formazione di stelle sta ancora andando forte.

Ciò che è veramente eccitante è che ciò significa che i hot dog potrebbero trovarsi in un punto chiave della sequenza evolutiva LIRG. Alcuni gruppi hanno teorizzato che molte di queste galassie diventano SMG con esplosioni di stelle impressionanti prima di diventare CANE quando aumenta l'attività dell'AGN. I hot dog potrebbero trovarsi all'estremità della sequenza, con WISE 1814 + 3412 che fa una strana eccezione. Speriamo di avere un'idea migliore del loro posto nell'evoluzione ULIRG, comprendendo più dettagliatamente le tendenze alla base di SMG e DOG. Forse le osservazioni radio possono far luce ancora di più sull'attività dell'AGN.

L'impressione di un artista di WISE J224607.57–052635.0, un ULIRG e anche la galassia più luminosa conosciuta. Potrebbe fondersi attivamente con altre galassie, alimentando il suo buco nero supermassiccio centrale.