På 50-årsdagen av upptäckten av ett nära samband mellan stjärnbildning i galaxer och deras infraröda strålning och radiostrålning, har forskare vid Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) nu dechiffrerat den bakomliggande fysiken. För detta ändamål använde de nya datorsimuleringar av galaxbildning med en komplett modellering av kosmiska strålar.

För att förstå bildandet och utvecklingen av galaxer som vår Vintergatan är det av särskild vikt att känna till mängden nybildade stjärnor i både närliggande och avlägsna galaxer. För detta ändamål använder astronomer ofta en länk mellan galaxernas infraröda och radiostrålning, som redan har upptäckts för 50 år sedan:den energiska strålningen från unga, massiva stjärnor som bildas i galaxernas tätaste områden absorberas av omgivande dammmoln och återutsänds som lågenergisk infraröd strålning. Så småningom, när deras bränsleförråd är slut, exploderar dessa massiva stjärnor som supernovor i slutet av deras liv. I denna explosion kastas det yttre stjärnhöljet ut i miljön, vilket accelererar några partiklar av det interstellära mediet till mycket höga energier, vilket ger upphov till så kallade kosmiska strålar. I galaxens magnetfält sänder dessa snabba partiklar, som färdas med nästan ljusets hastighet, mycket lågenergi radiostrålning med en våglängd på några centimeter till meter. Genom denna kedja av processer är nybildade stjärnor, infraröd strålning och radiostrålning från galaxer nära sammanlänkade.

Även om detta förhållande ofta används inom astronomi, är de exakta fysiska förhållandena ännu inte klarlagda. Tidigare försök att förklara det misslyckades vanligtvis i en förutsägelse:om högenergetiska kosmiska strålar verkligen är ansvariga för radiostrålningen från dessa galaxer, förutspår teorin mycket branta radiospektra – hög emission vid låga radiofrekvenser – som inte stämmer överens med observationer. För att gå till botten med detta mysterium har ett team av forskare vid AIP nu för första gången realistiskt simulerat dessa processer i en bildande galax på en dator och beräknat de kosmiska strålens energispektra. Deras resultat publiceras i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

"Under bildandet av den galaktiska skivan förstärks kosmiska magnetfält så att de matchar de starka observerade galaktiska magnetfälten", förklarar professor Christoph Pfrommer, chef för sektionen kosmologi och högenergiastrofysik vid AIP. När kosmiska strålpartiklar i magnetfält sänder ut radiostrålning förlorar den en del av sin energi på väg till oss. Som ett resultat blir radiospektrumet plattare vid låga frekvenser. Vid höga frekvenser bidrar förutom radioemissionen av kosmisk strålning även radioemissionen från det interstellära mediet, som har ett plattare spektrum. Summan av dessa två processer kan därför perfekt förklara den observerade platta radiostrålningen från hela galaxen såväl som emissionen från de centrala regionerna.

Detta förklarar också mysteriet om varför infraröd- och radiostrålning från galaxer är så väl kopplade. "Detta tillåter oss att bättre bestämma antalet nybildade stjärnor från den observerade radioemissionen i galaxer, vilket kommer att hjälpa oss att ytterligare reda ut historien om stjärnbildning i universum", avslutar Maria Werhahn, Ph.D. student vid AIP och första författare till en av studierna. + Utforska vidare

NGC 541 ger bränsle till en oregelbunden galax i ny Hubble-bild