A galaxisok csendes titkai: miért nem érkezik rádiósugárzás a távoli, apró vörös pontokból?

Távoli galaxisok újonnan felfedezett populációjának, az úgynevezett ,,kis vörös pöttyöknek'' (angolul Little Red Dots, LRD) rádiójellemzőit vizsgálták magyar kutatók. Mivel ezen objektumokat csupán a közelmúltban azonosították a James Webb-űrtávcső (JWST) méréseinek segítségével, pontos fizikai tulajdonságaik még nem ismertek teljes mértékben. A kutatás céljaként a szerzők égboltfelmérések archív adatainak felhasználásával vizsgálták, hogy az LRD-k bocsátanak-e ki rádiósugárzást, mint ahogyan az számos távoli galaxis vagy aktív galaxismag (active galactic nuclei, AGN) esetében ismert. A rádiótartományú megfigyelések kulcsfontosságúak, mert segítenek a csillagászoknak megérteni az érintett objektumok természetét - legyen szó csillagontó galaxisról, AGN-ről vagy valami egészen másról. A rádióhullámok áthatolnak a sűrű csillagközi porfelhőkön is, amelyek optikai távcsöveink elől eltakarhatják a galaxisok aktív magját.

A kis vörös pöttyök egy rejtélyes csoportot alkotnak a nagy vöröseltolódású galaxisok között, amelyek a látható és infravörös spektrumokban meglepően kicsinek és vörösesnek mutatkoznak. Ezek a távoli égitestek akár a galaxisok, sőt, a galaxismagok fejlődésének korai stádiumát is képviselhetik. Az elnevezésük a JWST által rögzített felvételeken felfedezhető különleges megjelenésüket tükrözi: a képek alapján sokkal vörösebbnek tűnnek, és a fizikai méretük alapján jelentősen kisebbek, mint a korábbiakban azonosított távoli galaxisok.

Az LRD-jelenség felfedezése óta a tudományos közösség figyelme egyre inkább a mögötte álló fizikai folyamatok mélyebb megértésére összpontosul. Vajon ezek a jelenségek fiatal galaxisokban gyökereznek, ahol a csillagkeletkezés üteme drámaian felgyorsult? Vagy talán aktív galaxismagok (AGN) rejtőzködnek a háttérben, amelyek szupernagy tömegű fekete lyukakat tartalmaznak, és ezek az objektumok intenzív sugárzást generálnak, miközben anyagot nyelnek el? Esetleg egészen más, eddig ismeretlen fizikai folyamatok zajlanak a mélyben, amelyek új kihívások elé állítják a asztrofizikusokat?

A tanulmány az LRD-k rádiójellemzőinek a szakirodalomban eddig eléggé elhanyagolt vizsgálatára összpontosított, annak felfedése érdekében, hogy megtudjuk, AGN-eket rejtenek-e, vagy esetleg olyan csillagvárosok lehetnek, amelyek kiemelkedő hatékonyságú csillagkeletkezéssel jellemzehetők. Az Univerzum történetének e korai szakaszában a rádiótartományú megfigyelések kulcsfontosságúak e lehetőségek megkülönböztetésében.

Az elemzéshez a kutatók egy 919 objektumot tartalmazó mintát állítottak össze, melyben a szakirodalomban eddig "közkinccsé tett" LRD-ket gyűjtötték össze. Az első lépésben a rádiótartományban végzett két égboltfelmérés pontforrás-katalógusaiban keresték az LRD-khez kapcsolódó rádiósugárzást: a FIRST (Faint Images of the Radio Sky at Twenty-centimeters) és a VLASS (Very Large Array Sky Survey) megfigyelések során, amelyek 1,4 GHz-en és 3 GHz-en zajlottak, gyakorlatilag a teljes északi égboltot feltérképezték. A tanulmány legfontosabb következtetései a következők.

A legmegdöbbentőbb megállapítás az, hogy a felmérések érzékenységi küszöbén belül a 919 LRD egyik esetén sem sikerült azonosítható rádiósugárzást felfedezni. Ez különösen érdekes, mivel a korábban ismert galaxisok és aktív galaxismagok 15%-ánál már észleltek 1 mJy vagy ennél erősebb rádiókibocsátást. Ráadásul a legnagyobb vöröseltolódású, tehát legmesszibb AGN-ek körében is körülbelül 8%-ban volt tapasztalható hasonló mértékű rádiósugárzás. Érdemes megjegyezni, hogy a fluxussűrűség, amelyet a rádiócsillagászatban használnak, 1 mJy értéke a mindennapi SI-mértékegységekben 10 W/m/Hz-nek felel meg.

Mivel nem azonosítottak közvetlen rádióforrást az egyes LRD-k esetén, a kutatók a térképhalmozás módszerének alkalmazásával keresték az 1 mJy-nél is gyengébb rádióemissziót. A térképhalmozás alapelve, hogy nagyszámú rádiótérkép adatait ,,összeátlagolják''. Ennek eredményeképpen az új kép zajszintje jelentősen csökken, arányosan az analízisbe bevont térképek számának négyzetgyökével. A zaj, vagyis a ,,háttér'' jelentősen csökkenésével az eredeti határfényességnél sokkal halványabb sugárzás is azonosíthatóvá válik. Számos korábbi kutatás rámutatott arra, hogy ez a módszer nagy hatékonysággal alkalmazható bármely hullámhossztartományban olyan gyenge jelek felfedésében, amelyek túl halványak lehetnek ahhoz, hogy egyedileg észleljék azokat, de mégis jellemzőek egy objektumtípus átlagos tulajdonságaira. A halmozási elemzés során olyan rádiótérképeket használtak fel, amelyek középpontja az LRD-k JWST által meghatározott pontos koordinátáival esett egybe. A ,,halmozott'' térképek nem mutattak ki a megfigyelések zajszintjének háromszorosánál erősebb rádiósugárzást. A halmozás utáni térképek zajszintje az eredeti képek zajszintjének századrészére (0,010-0,018 mJy) csökkent, ami azt is jelenti, hogy ha az LRD-k bocsátanak is ki bármilyen mértékű rádiósugárzást, az jellemzően még ennél a küszöbértéknél is gyengébb lehet. Az eredmények tehát arra utalnak, hogy az LRD-k vagy rendkívül gyenge rádióforrások, vagy olyan AGN-ek, amelyekhez egyáltalán nem köthető rádiósugárzás.

Figyelemre méltó, hogy az egyedi LRD-k esetében a közvetlen rádiósugárzás nem csupán azonosíthatatlan, hanem a halmozási eljárások sem voltak elegendőek a rejtett aktivitás felfedésére a rádióspektrum terén. Ha más, nagy vöröseltolódású, látszólag rádiócsendes AGN-eket (aktív maggal rendelkező galaxisokat, amelyek a rádiótartományban rendkívül halványak) vizsgálunk, akkor a halmozási elemzések átlagosan 0,030 mJy körüli rádióemissziót mutattak ki. Ebből levonható a következtetés, hogy az LRD-k rádiósugárzása, ha egyáltalán létezik, még az eddig megfigyelt távoli "rádiócsendes" AGN-ek esetében tapasztalt értékeknél is jelentősen gyengébb. Ez arra utalhat, hogy az LRD-k egy még rádiócsendesebb galaxispopulációt képviselnek a tipikus nagy vöröseltolódású AGN-ekhez képest. Alternatív magyarázatként felmerülhet, hogy az LRD-k esetében különböző folyamatok zajlanak, és a bennük található AGN-ek nem a rádiósugárzás szempontjából a meghatározó tényezők. Az aktív csillagkeletkezés például fontosabb szerepet játszhat az általános jellemzőik formálásában.

Bár az LRD-k esetében sem közvetlen, sem közvetett (halmozási) módszerekkel nem észlelhető rádiósugárzás, a halmozott térképek zajszintje, azaz az észlelési határérték mégis hasznos információt nyújt a csillagkeletkezés hatékonyságának, vagyis a csillagkeletkezési rátának a becslésére. Ez a mutató fontos támpontot ad arra nézve, hogy egy galaxis milyen sebességgel képes új csillagokat létrehozni, ami alapvetően befolyásolja a galaxis fejlődési folyamatát. A rádiósugárzás és a csillagkeletkezési ráta közötti ismert kapcsolatot kihasználva a kutatók arra a megállapításra jutottak, hogy az LRD-kben évente akár 350-650 naptömegnyi új csillag is képződhet. Ez az érték hasonló ahhoz, amit a nagy vöröseltolódású csillagontó galaxisokban tapasztaltak. Mindez arra utal, hogy az LRD-k képesek jelentős csillagkeletkezési aktivitással rendelkező galaxisok képviseletére, még akkor is, ha jelenleg nem bocsátanak ki detektálható mennyiségű rádiósugárzást.

A kutatás az LRD-k rádiótulajdonságainak első átfogó vizsgálataként rávilágít arra, hogy ezek a galaxisok vagy teljesen rádiócsendben vannak, vagy rendkívül gyenge rádiójelek sugárzását mutatják, ha összehasonlítjuk őket más, magas vöröseltolódású galaxisokkal, mint például az AGN-ek. A tanulmány hangsúlyozza, hogy a jelenlegi adatminták korlátozottak, és a jövőbeni, nagyobb léptékű felmérések révén, valamint a még felfedezésre váró új LRD-k által szerzett további információk segíthetnek a megállapítások pontosításában. A jövőben a csillagászok várhatóan mélyebb betekintést nyernek az LRD-k természetébe, különféle halmozási elemzések alkalmazásával, amelyek nagyobb mintákon alapulnak, így javítva a gyenge rádiósugárzás észlelésének lehetőségét. A minta bővítése nemcsak az LRD-k rádiótulajdonságainak kozmológiai fejlődésének megértéséhez járulhat hozzá, hanem a galaxisok fejlődési szakaszának és a Univerzumban elfoglalt helyének feltárásához is, valamint a hasonló, magas vöröseltolódású galaxisokkal való kapcsolatok elemzéséhez. Ezen túlmenően a tanulmány lehetőséget vet fel arra, hogy az LRD-k a galaxisok fejlődésének korai fázisában állhatnak, ahol intenzív csillagkeletkezés és esetleg gyenge vagy inaktív AGN-ek találhatóak a középpontjukban. Alternatívaként pedig, egy olyan különleges galaxispopuláció létezése is elképzelhető, amely nem követi a többi magas vöröseltolódású objektumra jellemző szokásos mintázatokat.

Összességében elmondható, hogy a rádiótartományú kutatások alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy az LRD-k valószínűleg rádiócsendes galaxisok, amelyek gyenge vagy egyáltalán nem észlelhető rádiósugárzó aktív galaktikus magokat (AGN) tartalmazhatnak, miközben rendkívül aktív csillagkeletkezési folyamatok zajlanak bennük. A technológiai fejlődés és a folyamatosan bővülő adathalmazok révén a jövőben kiderülhet, hogy ezek az objektumok csupán különleges AGN-ek, vagy pedig egy teljesen új galaxisosztály képviselői, sajátos és egyedi jellemzőkkel.

A kutatások megvalósítását az NKFIH támogatta, különösen az OTKA K134213 és PD146947 projektek keretében.

Természetesen! Íme egy egyedi átfogalmazás: Forrás: Perger K., Fogasy J., Frey S., Gabányi K. É.: Mély csend: a kis vörös pontok rádiós tulajdonságai.

A tanulmányt az Astronomy and Astrophysics folyóiratban fogadták el közlésre. A hivatalos megjelenésig az arXiv preprintszerveren érhető el: https://arxiv.org/abs/2411.19518

Kapcsolódó írás: Itt a hivatalos eredmény: a James Webb űrteleszkóp által felfedezett "kis vörös pontok" mégsem kérdőjelezik meg a kozmológiai modelleket (2024. augusztus)