Qu'est-ce qui rend les chiens chauds galactiques si chauds?

Les étoiles, les noyaux galactiques actifs, etc. - ces étranges galaxies en transition ont tout pour plaire. Que se passe-t-il?

Aux échelles galactiques, l'univers il y a environ onze milliards d'années était un endroit intéressant. Les galaxies les plus anciennes ayant déjà quelques milliards d'années, beaucoup traversaient une période dramatique de collisions et de fusions. Au cours du processus, des trous noirs supermassifs ont accumulé de grandes quantités de gaz, entraînant la montée de quasars et de noyaux galactiques actifs (AGN), tandis que d'autres nuages ​​interstellaires ont généré une vague de formation d'étoiles.

NGC 5010 est une galaxie lenticulaire à proximité qui est aussi une galaxie infrarouge lumineuse (LIRG) et un cousin à faible redshift de certaines galaxies extrêmement brillantes recouvertes de poussière et hautement redshift. Crédit image: NASA / ESA / Hubble.

En parlant spectroscopiquement, cette période dans l’univers correspond à des décalages dans l’échelle z ~ 2-3. Il s'avère que beaucoup des galaxies les plus dramatiques avec ces décalages vers le rouge appartiennent à l'une des deux classes principales:

  • Galaxies inférieures au millimètre (SMG), qui transforment chaque année des centaines ou des milliers de masses solaires de gaz en étoiles. Ils ont une poussière froide et montrent une forte émission autour de 850 microns.
  • Les galaxies obscurcies par la poussière (DOG), qui sont dans une phase de transition d'une émission dominée par les étoiles à une émission dominée par un AGN.

Il est très important d’apprendre comment ces classes se rapportent les unes aux autres pour comprendre comment se développent les galaxies elliptiques les plus massives. Cela signifiait que les astronomes étaient excités lorsque l'explorateur WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) découvrait un type de galaxie encore plus rare et plus puissant à ces décalages vers le rouge. Connus au début uniquement sous le nom de W1W2-dropouts, ils ont depuis reçu un nouveau nom - Hot DOGs - et figurent parmi les galaxies les plus lumineuses de l’univers.

Comment trouve-t-on les ULIRG?

WISE recherchait d'autres exemples de galaxies infrarouges ultra-lumineuses (ULIRG), qui brillent sous des trillions de luminosités solaires. Les SMG et les DOG sont des sous-populations spécifiques d'ULIRG qui existent à z ~ 2-3, et l'enquête WISE devait en fournir des exemples. Le satellite a étudié les cibles dans quatre bandes de longueur d'onde, notées W1 à W4, correspondant respectivement à des longueurs d'onde de 3,4, 4,6, 12 et 22 µm. Les ULIRG doivent être clairement visibles dans les fenêtres W3 et W4, mais très faibles en W1 et W2.

Figure 1, Wu et al. Une sélection de chiens chauds, vus par WISE.

Effectivement, un certain nombre de galaxies ont répondu à ces critères et ont été classées dans la catégorie W1W2-dropouts - W12drops. Beaucoup avaient des décalages rouges de z ~ 2-3. Intrigués, les astronomes ont effectué des observations infrarouges de suivi à l'Observatoire Caltech Sub-millimeter (CSO), ainsi qu'une spectroscopie optique sur le télescope Keck I (Wu et al. 2012). Le télescope spatial Spitzer a également pu observer des candidats dans les fenêtres W1 et W2.

L'équipe a ensuite essayé d'adapter un certain nombre de modèles de galaxies aux candidats confirmés pour tenter de comprendre ce qui se passait. Ils ont modélisé quelque chose appelé la distribution spectrale d'énergie (SED), qui montre à quel point un objet est énergétique à différentes longueurs d'onde. Leur liste de possibilités incluait des quasars, de la poussière torii autour des AGN, des galaxies étoilées comme Arp 220, DOGs et la galaxie hybride AGN-starburst Markarian 231.

Figure 5, Wu et al. Les modèles SED sont comparés aux données réelles pour les W12drops candidates observées (points noirs reliés par des lignes bleues). Le tore de poussière est un bon ajustement, sauf pour les basses longueurs d'onde.

Les modèles en étoile étaient terribles et, bien que les ajustements d’AGN étaient légèrement meilleurs, même le modèle du tore de poussière ne pouvait pas répondre à toutes les caractéristiques clés: une émission sous-millimétrique relativement faible, un SED à la loi de puissance à longueurs d’onde infrarouge moyennes, puis une petite bosse, également dans l'infrarouge moyen. Le SED présentait également un pic à des longueurs d’onde plus courtes que dans d’autres galaxies, ce qui indique une poussière chaude de 60 à 120 K. Les modèles à SED ont également montré que les W12drops étaient environ 10 à 20 fois plus lumineuses que les DOG, les SMG ou tout autre type connu de galaxie à z ~ 2-3. Au moins un candidat dépassait les 100 trillions de luminosités solaires.

Quelle est la puissance d'un chien chaud?

Avant de parler de l’intégration des W12drops dans nos modèles d’évolution des galaxies, parlons de ce candidat extrême (Eisenhardt et al. 2012). Connu sous le nom de WISE 1814 + 3412, il a d'abord été étudié en détail par le même groupe qui a analysé les galaxies W12drop dans leur ensemble. Analyser le candidat s’est avéré délicat, car il y avait en fait quatre composants principaux proches de l’un de l’autre, étiquetés de A à D. Le composant B est un intrus - une naine rouge dans la Voie lactée - tandis que les trois autres composants semblent présenter un décalage vers le rouge. z ~ 2,45. Les spectres de A et D indiquent des galaxies à fracture de Lyman, un type particulier de galaxie formant une étoile à redshift élevé, tandis que C semble être un quasar traditionnel.

La figure 5, Eisenhardt et al. Les quatre composants de WISE 1814 + 3412 sont visibles, mais seul le composant A est vraiment la galaxie source d’intérêt.

Une analyse plus poussée indique que le composant A est responsable de la majeure partie des émissions et correspond donc vraiment à WISE 1814 + 3412. En l'absence de preuve de lentille gravitationnelle, son extrême luminosité est intrinsèque. Environ 10% de sa luminosité provient d'étoiles, tandis que le reste semble provenir d'un AGN. Le problème avec cette galaxie est que certaines caractéristiques spectrales AGN typiques sont absentes, bien que l’émission radio augmente la probabilité que cette explication soit correcte.

Notre meilleur modèle de la galaxie comprend quelques centaines de milliards de masses solaires d'étoiles qui se sont formées sur environ un milliard d'années. L'AGN est alimenté par un trou noir d'un milliard de masse solaire - beaucoup plus grand que celui situé au centre de la Voie Lactée, mais certainement pas le plus massif qui soit. Ce qui est intéressant, c’est que le rapport luminosité / masse des trous noirs n’adapte pas les relations connues. Une solution possible est que l’activité AGN soit dominante car la formation d’étoiles n’a pas encore été complètement relevée, mais cela pose des problèmes pour les modèles évolutifs de ULIRG. Quoi qu'il en soit, WISE 1814 + 3412 semble être un CHIEN brûlant - c'est ce qui a été convenu.

Figure 7, Wu et al. W1814 + 3412, avec une sélection d'autres ULIRG, montrant une indication claire de la poussière contrairement à celle trouvée dans Markarian 231, Arp 220 ou d'autres galaxies particulières. Hot DOGs sont clairement un groupe séparé.

Où se situent-ils dans l'évolution d'ULIRG?

Les chiens eux-mêmes peuvent être classés en fonction de leurs SED. Une sous-population majeure montre une augmentation de leur SED de 3 à 10 μm, tandis qu'une autre montre une loi de puissance claire dans le moyen-IR. On pense que les deux sont des étapes distinctes de l'évolution de DOG; Les DOG Bump ont encore une activité importante de formation d'étoiles, tandis que les DOG à loi de puissance ont des AGN qui gagnent en puissance. Dans ce cadre, les galaxies W12drop seraient ce que l'on appelle des "chiens chauds", chacune avec un AGN extrêmement puissant entouré de grandes quantités de poussière. Cependant, les SED nécessitent toujours une contribution de la poussière froide, indiquant que la formation d'étoiles continue à être forte.

Ce qui est vraiment excitant, c’est que cela signifie que les DOG chauds pourraient se situer à un point clé de la séquence évolutive du LIRG. Certains groupes ont émis l’hypothèse que beaucoup de ces galaxies deviendraient des SMG avec des étoiles impressionnantes avant de devenir des DOGs lorsque l’activité AGN augmenterait. Les Hot DOGs pourraient se trouver à la fin de la séquence, WISE 1814 + 3412 étant une exception étrange. Espérons que nous pourrons avoir une meilleure idée de leur place dans l'évolution de l'ULIRG en comprenant plus en détail les tendances qui sous-tendent les GMS et les DOG. Les observations radio peuvent peut-être apporter encore plus de lumière sur l'activité de l'AGN.

Une impression artistique de WISE J224607.57–052635.0, un ULIRG et aussi la galaxie la plus lumineuse connue. Elle peut être en train de fusionner activement avec d’autres galaxies, alimentant ainsi son trou noir supermassif central.