Den här illustrationen visar radiosignalen från den snabba radioskuren FRB 181112 som passerar genom halo av en förgrundsgalax på väg mot teleskopen som upptäckte den på jorden. Kredit:© J. Josephides, Centrum för astrofysik och superdatorer, Swinburne University of Technology
Att använda ett kosmiskt mysterium för att undersöka ett annat, astronomer har analyserat signalen från en snabb radioskur, en gåtfull explosion av kosmiska radiovågor som varar mindre än en millisekund, för att karakterisera den diffusa gasen i en massiv galaxs halo.
En stor halo av lågdensitetsgas sträcker sig långt bortom den lysande delen av en galax där stjärnorna är koncentrerade. Även om detta är varmt, diffus gas utgör mer av en galax massa än stjärnor gör, det är nästan omöjligt att se. I november 2018, astronomer upptäckte en snabb radioskur som passerade genom halo av en massiv galax på väg mot jorden, så att de för första gången kan få ledtrådar till halogasens natur från en svårfångad radiosignal.
"Signalen från den snabba radioskuren exponerade naturen hos magnetfältet runt galaxen och strukturen hos halogasen. Studien bevisar en ny och transformativ teknik för att utforska arten av galaxhalos, sade J. Xavier Prochaska, professor i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz och huvudförfattare till en artikel om de nya rönen som publicerades online den 26 september i Vetenskap .
Astronomer vet fortfarande inte vad som producerar snabba radioskurar, och först nyligen har de kunnat spåra några av dessa mycket korta, mycket ljusa radiosignaler tillbaka till galaxerna där de har sitt ursprung. November 2018-skuren (som heter FRB 181112) upptäcktes och lokaliserades av instrumentet som banade väg för denna teknik, CSIRO:s Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP) radioteleskop. Uppföljningsobservationer med andra teleskop identifierade inte bara dess värdgalax utan också en ljus galax framför den.
"När vi lade över radio och optiska bilder, vi kunde direkt se att den snabba radioskuren genomborrade gloria av denna sammanfallande förgrundsgalax och, för första gången, vi hade ett direkt sätt att undersöka denna annars osynliga materia som omger denna galax, " sa medförfattare Cherie Day vid Swinburne University of Technology, Australien.
En galaktisk halo innehåller både mörk materia och vanlig ("baryonisk") materia, vilket förväntas vara mestadels varm joniserad gas. Medan den lysande delen av en massiv galax kan vara runt 30, 000 ljusår över, dess ungefär sfäriska halo är tio gånger större. Halogas bränsle till stjärnbildning när den faller in mot galaxens mitt, medan andra processer (som supernovaexplosioner) kan skjuta ut material från de stjärnbildande regionerna och in i den galaktiska gloria. En anledning till att astronomer vill studera halogasen är att bättre förstå dessa utstötningsprocesser, som kan stänga av stjärnbildningen.
"Halogasen är ett fossilt register över dessa utstötningsprocesser, så att våra observationer kan informera teorier om hur materia skjuts ut och hur magnetiska fält träs genom galaxer, " sa Prochaska.
Avbildning med FORS2-instrumentet på Very Large Telescope (VLT) i Chile visar värdgalaxen för den snabba radioskuren FRB 181112, med läget för skuren avbildad av de röda ellipserna. Den ljusare galaxen som ligger i närheten är i förgrunden, och siktlinjen till FRB 181112 passerar genom denna förgrundsgalaxs halo. Kredit:Prochaska et al., Vetenskap 2019
Tvärtemot förväntningarna, resultaten av den nya studien indikerar en mycket låg densitet och ett svagt magnetfält i halo i denna mellanliggande galax.
"Den här galaxens gloria är förvånansvärt lugn, " sa Prochaska. "Radiosignalen var till stor del opåverkad av galaxen, vilket står i skarp kontrast till vad tidigare modeller förutspår skulle ha hänt med explosionen."
Signalen från FRB 181112 bestod av flera pulser, vardera varar mindre än 40 mikrosekunder (tio tusen gånger kortare än ett ögonblick). Den korta varaktigheten av pulserna sätter en övre gräns för densiteten av halogasen, eftersom passage genom ett tätare medium skulle förlänga radiosignalerna. Forskarna beräknade att densiteten hos halogasen måste vara mindre än en tiondels atom per kubikcentimeter (motsvarande flera hundra atomer i en volym som är lika stor som en barns ballong).
"Som den skimrande luften en varm sommardag, den tunna atmosfären i denna enorma galax borde förvränga signalen från den snabba radioskuren. Istället fick vi en puls så orörd och skarp att det inte finns någon signatur av denna gas alls, " sa medförfattaren Jean-Pierre Macquart, en astronom vid International Center for Radio Astronomy Research vid Curtin University, Australien.
Densitetsbegränsningarna begränsar också möjligheten för turbulens eller moln av kall gas i halon ("cool" är en relativ term, hänvisar här till temperaturer runt 10, 000 Kelvin, jämfört med den heta halogasen på cirka 1 miljon Kelvin). "En favoritmodell är att halos genomsyras av moln av klumpig gas. Vi hittar inga som helst bevis för dessa moln, " sa Prochaska.
FRB-signalen ger också information om magnetfältet i halon, vilket påverkar polariseringen av radiovågorna. Att analysera polarisationen som en funktion av frekvensen ger ett "rotationsmått" för halon, vilket forskarna fann vara mycket lågt. "Det svaga magnetfältet i halo är en miljard gånger svagare än det hos en kylskåpsmagnet, " sa Prochaska.
Vid denna tidpunkt, med resultat från endast en galaktisk halo, forskarna kan inte säga om den oväntat låga densiteten och magnetfältstyrkan är ovanlig eller om tidigare studier av galaktiska halos har överskattat dessa egenskaper. ASKAP och andra radioteleskop kommer att använda snabba radioskurar för att studera många fler galaktiska glorier och lösa deras egenskaper.
"Den här galaxen kan vara speciell, ", sa Prochaska. "Vi kommer att behöva använda FRB för att studera tiotals eller hundratals galaxer över ett antal massor och åldrar för att bedöma hela befolkningen."
