Apa yang membuat DOG galaksi panas begitu panas?

Starburst, inti galaksi aktif, dan banyak lagi - galaksi transisi aneh ini memiliki semuanya. Apa yang sedang terjadi?

Pada skala galaksi, alam semesta sekitar sebelas miliar tahun yang lalu adalah tempat yang menarik. Dengan galaksi tertua yang sudah berusia beberapa miliar tahun, banyak yang sekarang mengalami masa tabrakan dan merger yang dramatis. Dalam prosesnya, sejumlah besar gas dikumpulkan oleh lubang hitam supermasif, yang mengarah pada naiknya quasar dan inti galaksi aktif (AGN), sementara awan antarbintang lainnya memunculkan gelombang pembentukan bintang.

NGC 5010 adalah galaksi lenticular di dekatnya yang juga merupakan galaksi inframerah bercahaya (LIRG), dan sepupu redshift rendah dari beberapa galaksi tinggi dengan redshift debu redshift yang sangat terang. Kredit gambar: NASA / ESA / Hubble.

Berbicara secara spektroskopi, periode di alam semesta ini berhubungan dengan pergeseran merah dalam kisaran z ~ 2–3. Ternyata banyak galaksi paling dramatis dengan pergeseran merah ini termasuk dalam salah satu dari dua kelas utama:

  • Galaksi sub-milimeter (SMGs), yang mengubah ratusan atau ribuan massa matahari menjadi bintang setiap tahun. Mereka memiliki debu dingin, dan menunjukkan emisi yang kuat sekitar 850 mikron.
  • Galaksi yang tertutup debu (DOG), yang berada dalam fase transisi dari emisinya didominasi oleh bintang hingga emisinya didominasi oleh AGN.

Mempelajari bagaimana kelas-kelas ini berhubungan satu sama lain adalah sangat penting bagi pemahaman kita tentang bagaimana galaksi elips yang paling masif tumbuh dan berkembang. Ini berarti bahwa para astronom bersemangat ketika Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) menemukan jenis galaksi yang lebih langka dan lebih kuat di pergeseran merah ini. Dahulu dikenal hanya sebagai W1W2-dropout, mereka sejak itu diberi nama baru - DOG panas - dan telah terbukti sebagai beberapa galaksi paling terang di alam semesta.

Bagaimana kami menemukan ULIRG?

WISE mencari lebih banyak contoh galaksi inframerah ultra-bercahaya (ULIRGs), yang bersinar pada triliunan luminositas matahari. Baik SMG dan DOG adalah sub-populasi spesifik ULIRG yang ada pada z ~ 2–3, dan survei WISE diharapkan akan menampilkan contoh keduanya. Satelit mempelajari target dalam empat pita panjang gelombang, dinotasikan W1 hingga W4, yang sesuai dengan panjang gelombang masing-masing 3,4, 4,6, 12, dan 22 μm. ULIRGs harus terlihat jelas di jendela W3 dan W4, tetapi sangat samar di W1 dan W2.

Gambar 1, Wu et al. Pilihan DOG panas, seperti yang terlihat oleh WISE.

Benar saja, sejumlah galaksi muncul yang cocok dengan kriteria ini, dan dikategorikan sebagai W1W2-dropout - W12 drops. Banyak yang memiliki pergeseran merah z ~ 2–3. Penasaran, para astronom melakukan pengamatan inframerah tindak lanjut di Caltech Sub-milimeter Observatory (CSO), serta spektroskopi optik pada teleskop Keck I (Wu et al. 2012). Spitzer Space Telescope juga dapat mengamati kandidat di jendela W1 dan W2.

Tim kemudian mencoba menyesuaikan sejumlah templat galaksi yang berbeda dengan kandidat yang dikonfirmasi untuk mencoba memahami apa yang sedang terjadi. Mereka memodelkan sesuatu yang disebut distribusi energi spektral (SED), yang menunjukkan seberapa energik suatu benda pada panjang gelombang yang berbeda. Daftar kemungkinan mereka termasuk quasar, debu torii di sekitar AGNs, galaksi starburst seperti Arp 220, DOGs, dan galaksi AGN-starburst hybrid Markarian 231.

Gambar 5, Wu et al. Templat SED ditampilkan dibandingkan dengan data aktual untuk kandidat W12drops yang diamati (titik hitam dihubungkan oleh garis biru). Torus debu sangat cocok kecuali pada panjang gelombang rendah.

Model starburst mengerikan, dan sementara AGN cocok sedikit lebih baik, bahkan templat torus debu tidak dapat memenuhi semua karakteristik utama: emisi sub-milimeter yang relatif lemah, undang-undang daya SED pada panjang gelombang inframerah-menengah, dan kemudian benjolan kecil, juga di pertengahan inframerah. Ada juga puncak di SED pada panjang gelombang yang lebih pendek daripada di galaksi lain - menunjukkan debu panas 60-120 K. Model SED juga menunjukkan bahwa W12drops sekitar 10-20 kali lebih bercahaya daripada DOG, SMG, atau yang sebelumnya- tipe galaksi yang diketahui pada z ~ 2–3. Setidaknya satu kandidat melebihi 100 triliun luminositas matahari yang menakjubkan.

Seberapa kuat DOG panas bisa?

Sebelum kita berbicara tentang bagaimana W12drops masuk ke dalam model evolusi galaksi kita, mari kita bicara tentang kandidat ekstrem itu (Eisenhardt et al. 2012). Dikenal sebagai WISE 1814 + 3412, ini pertama kali dipelajari secara rinci oleh kelompok yang sama yang menganalisis galaksi W12drop secara keseluruhan. Menganalisis kandidat ternyata rumit, karena sebenarnya ada empat komponen utama yang saling berdekatan, berlabel A sampai D. Komponen B adalah interloper - katai merah di dalam Bima Sakti - sementara tiga komponen lainnya tampaknya memiliki pergeseran merah dari z ~ 2.45. Spektrum A dan D adalah indikasi dari apa yang disebut Lyman memecah galaksi, jenis tertentu dari galaksi pembentuk bintang pergeseran merah tinggi, sementara C tampaknya merupakan quasar tradisional.

Gambar 5, Eisenhardt et al. Empat komponen WISE 1814 + 3412 terlihat, tetapi hanya komponen A yang benar-benar sumber galaksi yang menarik.

Analisis lebih lanjut menunjukkan bahwa komponen A bertanggung jawab atas sebagian besar emisi, dan karenanya benar-benar sesuai dengan WISE 1814 + 3412. Tanpa bukti adanya pelensaan gravitasi, kecerahan ekstrimnya adalah intrinsik. Sekitar 10% dari luminositasnya berasal dari bintang, sedangkan sebagian besar sisanya berasal dari AGN. Masalah dengan galaksi ini adalah bahwa beberapa fitur spektral AGN tidak ada, meskipun emisi radio menambah kemungkinan bahwa penjelasan ini benar.

Model terbaik galaksi kita mencakup beberapa ratus miliar massa matahari bintang-bintang yang terbentuk sekitar satu miliar tahun. AGN ditenagai oleh satu miliar lubang hitam-massa matahari - jauh lebih besar dari yang ada di pusat Bimasakti, tetapi tentu saja bukan yang paling masif yang diketahui. Yang menarik adalah bahwa rasio luminositas dengan massa lubang hitam tidak cocok dengan hubungan yang diketahui. Solusi yang mungkin adalah bahwa aktivitas AGN dominan karena pembentukan bintang belum sepenuhnya mengambil, tetapi ini menimbulkan masalah bagi model evolusi ULIRG. Namun, bagaimanapun, WISE 1814 + 3412 tampaknya menjadi DOG panas - banyak yang disepakati.

Gambar 7, Wu et al. W1814 + 3412, bersama dengan pilihan ULIRGs lainnya, menunjukkan indikasi debu yang jelas tidak seperti yang ditemukan di Markarian 231, Arp 220, atau galaksi aneh lainnya. Hot DOGs jelas merupakan grup yang terpisah.

Di mana mereka cocok dengan evolusi ULIRG?

DOG sendiri dapat diklasifikasikan menurut SED mereka. Satu sub-populasi utama menunjukkan benjolan di SED mereka dari 3-10 μm, sementara yang lain menunjukkan kekuatan-hukum yang jelas di pertengahan IR. Keduanya dianggap sebagai tahap berbeda dari evolusi DOG; BOG DOG masih memiliki aktivitas pembentukan bintang yang signifikan, sementara DOG yang memiliki kekuatan hukum memiliki AGN yang semakin kuat. Dalam kerangka ini, galaksi W12drop akan disebut "hot DOGs", masing-masing dengan AGN yang sangat kuat dikelilingi oleh debu dalam jumlah besar. Namun, SED masih membutuhkan kontribusi dari debu dingin, menunjukkan bahwa pembentukan bintang masih kuat.

Yang benar-benar menarik adalah bahwa ini berarti bahwa DOG panas dapat terletak pada titik kunci pada urutan evolusi LIRG. Beberapa kelompok berteori bahwa banyak galaksi ini menjadi SMG dengan starburst yang mengesankan sebelum menjadi DOG ketika aktivitas AGN meningkat. Hot DOGs bisa berada di ujung urutan, dengan WISE 1814 + 3412 menjadi pengecualian yang aneh. Semoga kita bisa mendapatkan ide yang lebih baik tentang tempat mereka dalam evolusi ULIRG dengan memahami tren di balik SMG dan DOG secara lebih rinci. Mungkin pengamatan radio bisa memberi lebih banyak cahaya pada aktivitas AGN.

Kesan seorang artis tentang WISE J224607.57-052635.0, ULIRG dan juga galaksi paling bercahaya yang dikenal. Ini mungkin secara aktif bergabung dengan galaksi lain, memberi makan lubang hitam supermasif pusatnya.