Mappare il cielo radio: un nuovo approccio

Costruire una mappa del cielo radio è super importante, soprattutto quando vogliamo trovare il segnale della linea di emissione a 21 cm dell'epoca in cui l'universo era molto giovane, conosciuta come l'Epoca della Reionizzazione (EoR). Questa mappa aiuta gli scienziati in tanti ambiti della ricerca spaziale. Per creare questa mappa, abbiamo usato dati di un'indagine radio chiamata LOFAR Two-meter Sky Survey (LoTSS) a 150 MHz. Con questi dati, abbiamo scoperto quanto siano brillanti diverse sorgenti radio, comprese varie galassie radio e Nuclei Galattici Attivi.

Abbiamo aggiornato un programma per computer chiamato Tiered Radio Extragalactic Continuum Simulation (T-RECS) per fare migliori cataloghi simulati di sorgenti radio. I conteggi delle sorgenti false dal nostro lavoro aggiornato si sono abbinati meglio a ciò che vediamo realmente nel cielo, specialmente per le galassie distanti. Abbiamo anche notato che il nostro modello prevedeva un numero inferiore di sorgenti deboli rispetto a T-RECS, il che potrebbe risultare utile per studiare segnali nella banda a bassa frequenza dello spettro radio.

Per quanto riguarda le mappe di intensità della linea di emissione a 21 cm a uno spostamento verso il rosso di circa 6 e oltre, offrono un modo unico per capire cosa stava succedendo nell'universo durante l'Epoca della Reionizzazione. Tuttavia, c'è un piccolo problema perché i segnali che vogliamo rilevare si mescolano con onde radio di fondo indesiderate, provenienti dalla nostra galassia, la Via Lattea, e altre sorgenti che non sono esattamente quello che cerchiamo.

Queste sorgenti indesiderate possono essere classificate in due tipi principali: Nuclei Galattici Attivi (AGNs) e Galassie di Formazione Stellare (SFGs). Le sorgenti non-AGN producono onde radio attraverso eventi come esplosioni di supernova o nuvole di gas. Gli AGNs, d'altro canto, stanno divorando gas e mentre lo fanno, emettono anche onde radio. Gli AGNs possono essere chiassosi o timidi, e li chiamiamo tipi radio-chiassosi (RL) e radio-quieti (RQ).

Gli AGNs radio-chiassosi producono la maggior parte dei loro segnali radio attraverso potenti getti di particelle. A seconda di come si presentano e dei loro comportamenti, possiamo ulteriormente suddividerli in Galassie Radio ad alta eccitazione (HERGs) e Galassie radio a bassa eccitazione (LERGs). Per gli AGNs radio-quieti, l'origine dei loro segnali radio non è ancora molto chiara.

Simulare il cielo radio è uno strumento utile per gli astronomi. Ad esempio, li aiuta a capire quanto siano completi i loro sondaggi radio e prevedere quali tipi di sorgenti radio potrebbero vedere in futuri sondaggi. In termini di ricerca sulla reionizzazione, consente di stimare il rumore di fondo che potrebbe oscurare il segnale a 21 cm che vogliono studiare.

Il modello T-RECS è costruito per simulare i due principali tipi di galassie radio: AGNs e SFGs. Tiene conto di fattori come quanto siano brillanti le galassie a diverse distanze e le loro proprietà di clustering. Tuttavia, poiché T-RECS ottiene i suoi dati principalmente da frequenze più alte, questo può causare alcune lacune nel tentativo di capire cosa sta succedendo a frequenze più basse.

Negli ultimi anni, ci sono stati tantissimi nuovi sondaggi radio a bassa frequenza, che ci hanno fornito più informazioni che mai. Uno dei sondaggi più estesi è stato fatto da LOFAR, che ha identificato circa 80.000 sorgenti radio e le ha classificate in HERGs, LERGs, RQ-AGNs e SFGs.

Rispetto a T-RECS, il nuovo catalogo offre più varietà includendo gli RQ-AGNs e sorgenti extra a distanze più elevate. Questo aiuta ad eliminare le discrepanze che abbiamo visto a quelle alte distanze.

Lo Square Kilometre Array (SKA) è in fase di costruzione e offrirà osservazioni ancora migliori nell'astronomia radio. Questo significa che dobbiamo sistemare le nostre simulazioni per prepararci a ciò che il SKA rileverà e come affrontare le sfide nel catturare il segnale dell'EoR.

In questo lavoro, presentiamo una nuova prospettiva su come classificare le sorgenti radio e i loro modelli di evoluzione. Lo suddividiamo in sezioni, iniziando da come abbiamo scelto i nostri dati, seguite dai nostri modelli per AGNs e SFGs, e una comparazione dei nostri risultati con ciò che è già stato osservato.

Poiché le onde radio non si preoccupano della polvere, utilizzare sondaggi radio profondi ci dà una visione chiara di galassie e AGNs. Basandoci sul profondo sondaggio LOFAR a 150 MHz attraverso tre regioni del cielo, che ha richiesto tanto tempo di telescopio, abbiamo creato un catalogo di 81.951 sorgenti. Abbiamo poi classificato queste sorgenti in diverse categorie in base ai loro livelli di luminosità e caratteristiche.

Per le sorgenti con onde radio basse, abbiamo capito se erano SFGs o RQ-AGNs in base agli loro spettri radio. Le sorgenti ad alta flusso radio sono state suddivise in LERGs e HERGs. Lo abbiamo fatto confrontando i risultati di vari codici progettati per capire come l'energia si distribuisce attraverso diverse lunghezze d'onda per ogni sorgente. Questo ci ha aiutato ad assegnare tassi di formazione stellare e masse in modo efficace.

Le sorgenti radio consistono principalmente di AGNs e SFGs, rendendo il nostro nuovo catalogo perfetto per simulare le sorgenti di fondo per il segnale a 21 cm. Per affinare la nostra selezione, abbiamo cercato sorgenti all'interno di specifici intervalli di spostamento verso il rosso e un limite di densità di flusso su cui potevamo fare affidamento. Questo ci ha aiutato a identificare un totale di sorgenti filtrando quelle che non soddisfacevano i nostri criteri.

Poi descriviamo i nostri modelli per capire le funzioni di luminosità. Queste funzioni descrivono quanto siano brillanti diversi tipi di galassie radio e come questa luminosità cambi nel tempo. Abbiamo adattato queste funzioni in base a ciò che abbiamo appreso dai nostri dati di catalogo, utilizzando un metodo noto come Monte Carlo Markov Chain per ottenere una gamma di probabilità per queste misurazioni.

Abbiamo impostato le nostre funzioni di luminosità per HERGs e LERGs in base a come le loro caratteristiche cambiano con lo spostamento verso il rosso. Questo includeva l'aggiornamento dei valori per rappresentare come queste funzioni si sono evolute nel tempo.

Gli RQ-AGNs mostrano segni di attività in vari intervalli di lunghezza d'onda, ma mancano dei potenti getti radio tipici dei tipi radio-chiassosi. Le esatte fonti delle loro emissioni radio sono ancora oggetto di dibattito. Tuttavia, sembra che sia la formazione stellare che un nucleo centrale possano giocare un ruolo nella produzione di emissioni radio.

Abbiamo anche stimato il tasso di formazione stellare per tutte le sorgenti. Per gli RQ-AGNs e SFGs, usiamo una relazione tra la loro luminosità radio e il loro tasso di formazione stellare. Per HERGs e LERGs, abbiamo indicato un eccesso radio extra che abbiamo considerato nel calcolare il tasso complessivo di formazione stellare.

Un altro aspetto che abbiamo esaminato è l'indice spettrale, che descrive come la frequenza delle onde radio si relaziona tra loro. Abbiamo trovato che le distribuzioni degli indici spettrali per AGNs e SFGs avevano modelli coerenti, che abbiamo usato per calcolare gli indici spettrali per le nostre sorgenti.

Riassumendo i risultati del nostro modello, abbiamo confrontato rigorosamente le nostre previsioni con le osservazioni esistenti e altre simulazioni per giustificare il nostro lavoro. Ci siamo concentrati in particolare su quanto strettamente i nostri risultati corrispondessero alle sorgenti reali che ci aspettiamo di vedere nel cielo.

In sostanza, le nostre simulazioni e modelli ci hanno avvicinato a capire il miscuglio di sorgenti radio nell'universo. Abbiamo scoperto che i nostri metodi offrono un miglior accordo con i dati reali, il che potrebbe aiutare negli studi futuri del cielo radio.

Abbiamo persino reso il nostro codice T-RECS modificato disponibile per altri nella comunità di ricerca. Questo significa che mentre esploriamo di più il cielo delle sorgenti radio a bassa frequenza, stiamo fornendo strumenti per permettere agli altri di unirsi alla ricerca.

Con un po' di umorismo, gironzolare nell'universo mentre osserviamo tutti questi affascinanti segnali radio sembra cercare di catturare farfalle con una rete fatta di spaghetti- è impegnativo ma oh così gratificante quando finalmente riesci a prenderne un paio!