星系中恒星形成与无线电发射之间令人费解的联系

模拟一个正在形成的圆盘星系,其中宇宙射线被超新星遗迹加速,然后逃逸到星际介质中。 圆盘的横截面(顶部)和垂直部分(底部)显示了稳态宇宙射线电子的数量密度(左)、磁场强度(中)和射电同步加速器亮度。 学分:Werhahn/AIP

在发现50周年之际 close 莱布尼茨波茨坦天体物理研究所 (AIP) 的研究人员现在已经破译了星系中的恒星形成与其红外和无线电辐射之间的联系。 为此,他们使用了全新的计算机模拟星系形成,并对宇宙射线进行了完整的建模。

要了解像我们银河系这样的星系的形成和演化,了解附近和遥远星系中新形成的恒星的数量尤为重要。 为此,天文学家经常使用 50 年前就已经发现的星系红外辐射和射电辐射之间的联系:在星系最密集区域形成的年轻大质量恒星的高能辐射被周围的尘埃云吸收,以低能红外辐射的形式重新发射。 最终,当它们的燃料供应耗尽时,这些大质量恒星在生命的尽头爆炸成超新星。 在这次爆炸中,外层恒星外壳被喷射到环境中,这将星际介质的一些粒子加速到非常高的能量,从而产生所谓的宇宙射线。 在银河系的磁场中,这些快速粒子以接近光速的速度行进,发出波长为几厘米到几米的低能量无线电辐射。 通过这一连串的过程,新形成的恒星、来自星系的红外辐射和射电辐射紧密相连。

尽管这种关系在天文学中经常使用,但确切的物理条件尚不清楚。 以前解释它的尝试通常在一个预测中失败:如果高能宇宙射线确实是这些星系的无线电辐射的原因,那么该理论预测非常陡峭的无线电光谱 – 低无线电频率的高发射 – 与观测结果不匹配。 为了弄清这个谜团,AIP 的一组研究人员现在首次在计算机上真实地模拟了形成星系的这些过程,并计算了宇宙射线的能谱。 他们的研究结果发表在皇家天文学会月刊上。

“在银盘形成过程中,宇宙磁场被放大,使其与观测到的强银河磁场相匹配,”AIP 宇宙学和高能天体物理学部门负责人 Christoph Pfrommer 教授解释说。 当磁场中的宇宙射线粒子发射无线电辐射时,它会在到达我们的途中失去部分能量。 结果,无线电频谱在低频处变得更平坦。 在高频下,除了宇宙射线的无线电发射外,具有更平坦光谱的星际介质的无线电发射也有贡献。 因此,这两个过程的总和可以完美地解释观测到的整个星系的平面无线电辐射以及中心区域的发射。

这也解释了为什么星系的红外线和无线电辐射如此紧密地联系在一起的奥秘。 “这使我们能够从观测到的星系无线电发射中更好地确定新形成的恒星数量,这将有助于我们进一步解开宇宙中恒星形成的故事,”Maria Werhahn 博士总结道。 AIP 的学生和其中一项研究的第一作者。