Для понимания формирования и эволюции галактик, подобных Млечному Пути, особенно важно знать количество новообразованных звезд как в близких, так и в далеких галактиках. Для этого астрономы часто используют связь между инфракрасным и радиоизлучением, которая была обнаружена еще 50 лет назад: энергичное излучение молодых массивных звезд, формирующихся в самых плотных областях галактик, поглощается окружающими пылевыми облаками и переизлучается в виде низкоэнергетического инфракрасного излучения. В конце концов, когда запасы топлива исчерпываются, эти массивные звезды взрываются в конце своей жизни, преобразовываясь в сверхновые. При этом взрыве внешняя оболочка звезды выбрасывается в окружающую среду, что ускоряет несколько частиц межзвездной среды до очень высоких энергий, порождая так называемые космические лучи. В магнитном поле галактики эти быстрые частицы, движущиеся почти со скоростью света, испускают радиоизлучение очень низкой энергии с длиной волны от нескольких сантиметров до метра. Через эту цепочку процессов новообразующиеся звезды, инфракрасное излучение и радиоизлучение галактик тесно связаны между собой.

Хотя эта связь часто используется в астрономии, точные физические условия пока не ясны. Чтобы разобраться в этой загадке, группа исследователей из AIP впервые реалистично смоделировала на компьютере процессы формирования галактики и рассчитала энергетические спектры космических лучей.

«Во время формирования галактического диска космические магнитные поля усиливаются так, что они соответствуют сильным наблюдаемым галактическим магнитным полям», — объясняет профессор Кристоф Пфроммер, руководитель секции космологии и астрофизики высоких энергий в AIP. Когда частицы космических лучей в магнитных полях испускают радиоизлучение, оно теряет часть своей энергии по пути к нам. В результате спектр радиоизлучения становится более плоским на низких частотах. На высоких частотах, помимо радиоизлучения космических лучей, свой вклад вносит и радиоизлучение межзвездной среды, которая имеет более плоский спектр. Поэтому сумма этих двух процессов может прекрасно объяснить наблюдаемое плоское радиоизлучение всей галактики, а также излучение центральных областей.

Это также объясняет загадку, почему инфракрасное и радиоизлучение галактик так хорошо связаны между собой.