Die Ferninfrarotemission von Galaxien mit aktiven supermassereichen Schwarzen Löchern

Vor mehr als 30 Jahren entdeckte der Infrarot-Astronomiesatellit, dass das Universum viele fast unsichtbare, aber enorm leuchtende Galaxien enthält – einige von ihnen mehr als 1.000 Mal heller als unsere eigene Milchstraße. Diese Galaxien leuchten hauptsächlich im Infraroten, angetrieben von dramatischen Ausbrüchen der Sternentstehung, die tief in Wolken aus Staub und molekularem Gas verborgen sind. Der Staub absorbiert das ultraviolette Licht, das von den heißen jungen Sternen emittiert wird, verdunkelt das optische Licht und strahlt die Energie bei Wellenlängen im fernen Infrarot wieder ab. Diese Wellenlängen sind etwa hundertmal länger als optische Wellenlängen und durch kühle Temperaturen von etwa 40 Grad Kelvin gekennzeichnet. Astronomen argumentieren, dass die Hyperaktivität zumindest in einigen Fällen durch Kollisionen zwischen Galaxien ausgelöst wird, die den Kollaps ihrer Gaswolken zu neuen Sternen auslösen.

Kollisionen zwischen Galaxien sind häufig. Tatsächlich waren die meisten Galaxien wahrscheinlich während ihres Lebens an einer oder mehreren Begegnungen beteiligt, was diese Wechselwirkungen zu einer wichtigen Phase in der Galaxienentwicklung und der Entstehung von Sternen im Universum macht. (Die Milchstraße zum Beispiel ist durch die Schwerkraft an die Andromeda-Galaxie gebunden. Wir nähern uns einander mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 Kilometern pro Sekunde und werden uns voraussichtlich in etwa einer weiteren Milliarde Jahren begegnen.) Es wird angenommen, dass es zu Kollisionen gekommen ist Vor etwa zehn Milliarden Jahren war die Epoche, die manchmal als kosmischer Mittag bezeichnet wird, noch üblicher, da das Universum während dieser Zeit eine massive Phase der Sternenproduktion durchlief – mehr als das Zehnfache der heutigen Geschwindigkeit, wie man allein aus der starken Infrarotemission dieser Galaxien ableiten konnte.

Aber es gibt andere Möglichkeiten, den Staub neben Ultraviolett durch Sternentstehung zu erhitzen, und eine sorgfältige Berücksichtigung der Erwärmungsmechanismen ist erforderlich, um die Sternentstehungsraten sicher zu stellen, insbesondere für Galaxien am kosmischen Mittag, die so weit entfernt sind, dass die meisten alternativen Sternentstehungsdiagnosen sind unpraktisch. Eine mögliche alternative Energiequelle ist das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie. Wenn sich Gas und Staub aktiv in der Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs ansammeln, können mächtige Strahlen geladener Teilchen ausgestoßen werden und der staubige Torus um ihn herum kann sich erwärmen. Diese Objekte werden aktive galaktische Kerne (AGN) genannt. Astronomen haben seit langem erkannt, dass die heiße, Röntgenstrahlen emittierende Region um ein AGN Staub enthält, der im Infraroten emittiert, haben jedoch argumentiert, dass das Infrarot durch so hohe Temperaturen gekennzeichnet wäre und aus so kleinen Regionen stammt, dass es seinen Beitrag zur Gesamtheit leistet Ferninfrarotemission sollte vernachlässigbar sein.

Die CfA-Astronomen Juan Rafael Martínez-Galarza und Howard Smith und ihre Kollegen haben nun gezeigt, dass ein helles AGN unter bestimmten Umständen die Staubemission im fernen Infrarot dominieren kann. Anhand von Simulationen verschmelzender Galaxien zeigen die Astronomen, dass Strahlung eines hellen AGN in die Galaxie eindringen und den Staub erwärmen kann, obwohl sie aus heißer Materie stammt, die nur wenige hundert Lichtjahre groß ist und im fernen Infrarot emittiert . Indem sie die simulierte Aktivität des AGN künstlich ein- und ausschalten, um die Auswirkungen zu quantifizieren, zeigen die Wissenschaftler, dass Verschmelzungen massereicher Galaxien dazu führen können, dass AGN-erhitzter Staub die kühle Ferninfrarotemission in der Galaxie um bis zu einem Faktor von vier dominiert . Die Sternentstehungsraten, die aus der Ferninfrarot-Leuchtkraft dieser Objekte geschätzt werden, sind falsch, wenn keine Korrekturen für diesen großen Faktor vorgenommen werden. Das Team fährt fort, spektroskopische und bildgebende Verfahren vorzuschlagen, um diese Fälle unter Verwendung von ionisierten atomaren Liniensignaturen und räumlichen Morphologien zu identifizieren.