“瞳”任务首次绘制出星系团炽热风的图像

日本的“瞳”卫星传回的空前精细的测量结果,使得科学家们首次追踪到了英仙座星系团中心发射X射线气体的运动。该结果展示了期待已久的下一代X射线仪器的首秀,其关键组成部分是由马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心研发的。一台搭载在“瞳”卫星(Hitomi)上的革命性的仪器发回了对于星系 团中心的温度高达百万度的大气迄今为止最为精细的测量结果。

由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)主导的“瞳”卫星于2月17日发射升空。紧接着这个空间天文台和仪器的成功激活,“瞳”卫星在3月26日遭遇飞行器故障而提前结束了任务。

不过,“瞳”在毁坏之前,仍然窥视到了英仙座星系团——一个拥有数以千计被引力聚集在一起的星系的集合体。英仙座星系团位于地球2.4亿光年外,以其所在的星座而命名,包含着大量的极端炽热气体。气体的平均温度在9000万华氏度(5000万摄氏度),在X射线波段尤为明亮。在“瞳”卫星发射之前,天文学家并不具备测量该处气体精细动力学特征的能力,尤其是无从知晓该气体与星系团核心星系NGC 1275中活动的超大质量黑洞释放的气体泡结构的关系。

“我们首次测量到了星系团内发射X射线气体的运动并且确定了其在大范围的空间尺度上的速度结构。”瞳卫星合作项目美方负责人、戈达德中心的理查德?凯利(Richard Kelley)说,“尽管这团气体被中心黑洞的快速外向流不断搅动,它的速度在天文学尺度上还是比较小,并且证据表明只存在较小级别的湍流。”

“瞳”任务首次绘制出星系团炽热风的图像的照片 - 1

如这幅NASA的钱德拉X射线天文台的图像所示,英仙座星系团充满了炽热的发射X射线的气体。天文学家使用“瞳”卫星上搭载的软X射线光谱仪,首次探测到这部分气体的运动并且确定了其在星系团的一大部分区域内的速度结构。正方形的叠加图层跨越了星系团大约195000光年的距离,展示了“瞳”卫星观测到的区域。颜色与探测到的气体速度相关,颜色越蓝指示朝地球方向运动越快,而颜色越红则指示反方向的速度更大。

图片来源:NASA戈达德中心以及NASA/CXC/SAO/ E. Bulbul等

由戈达德中心的科学家与美国、日本以及荷兰的数家机构的同事紧密合作研发制造的“瞳”卫星革命性的软X射线光谱仪(SXS),使用了超过两天半时间观测星系团核心内一大片区域。得到的X射线光谱比先前最好的观测结果还要精细30倍,揭示出铁、镍、铬、锰X射线发射线的丰富面貌;这些金属元素由星系团中数以亿级的大质量恒星所制造,在大质量恒星演化为爆发的超新星时散布开来。

SXS研究了一块边距跨越星系团大约195000光年的方形天区。该区域内气体朝向或者远离地球运动的速度总的范围被发现为大约365000英里每小时(590000千米每小时)——对人类衡量标准而言已经巨大,但在宇宙学尺度上惊人地合理。观测到的速度范围指示湍流仅仅贡献了总气体压力的4%。这一结果引起了天体物理学家的特别的兴趣。湍流气压是先前没有测量的物理量,其对于星系团质量的估计有着显著的影响。SXS测量结果显示(星系团质量的估计)仅需做小的改正。

“我非常意外,炽热气体吸收黑洞输出的能量是如此快速和高效。气体相对稳定,并没有如我们之前所想的那样被推来推去。”团队成员、安大略的滑铁卢大学物理与天文学教授布莱恩?麦克纳马拉(Brian McNamara)说,“‘瞳’卫星的英仙座观测结果告诉我们,我们可能可以用比称量我们所在的银河系更高的准确度去称量遥远的星系团。”

“瞳”任务首次绘制出星系团炽热风的图像的照片 - 2

在可见光图像中,英仙座星系团的核心看起来完全不一样。我们透过暗星的遮掩看去,这些在X射线波段十分显著的星系团气体,在可见光图像中被一组模糊的星系所取代。这幅图像显示的是与上述钱德拉图像同样的天区。中心的奇特天体是NGC 1275,即星系团的中心星系,其自身就是一个显著的X射线与射电辐射源。星系的核心有一个由落入物质驱动的超大质量黑洞。从星系中扩展出来的炽热纤维状结构描绘了被黑洞猛烈吹出的气体泡的踪迹。除了这一活动,“瞳”卫星的观测结果还显示,附近的炽热星系团气体以宇宙学合理的速度运动。(图片来源:R. Jay GaBany)

“瞳”卫星合作组织撰写的一份发表于《自然》杂志7月7日版次的论文详细记述了这些发现。

为了在宇宙学尺度上确定气体运动情况,天文学家们通常将光分散为彩虹状的光谱。光谱中不连续的亮线或者暗线对应着由特定化学元素特征发射或者吸收的波长。对于远离或者朝向地球运动的气体,这些谱线将会相应地向光谱的红端或者蓝端移动,移动的量取决于气体的速度。气体运动也可能使这些谱线模糊或是变宽,为星系团的环境提供了另外的线索。

“瞳”任务首次绘制出星系团炽热风的图像的照片 - 3

图为“瞳”飞行器,即后来的ASTRO-H,2015年11月27日摄于日本筑波宇宙中心。飞行器左下方的开放隔间放置的是软X射线光谱仪。

图片来源:日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)

“瞳”卫星的SXS载荷应用了一项革命性的测量X射线“颜色”的方法,叫做微量热技术。该技术产生了空前的光谱分辨率,观察占据相对较大天区的目标源时也不会使光谱模糊,这个问题发生在传统的方法中。SXS的微量热计测量每个光粒子(即光子)击中探测器时产生的热量。这样产生的微小温度增加就可以精确地确定入射X射线光的能量。

在SXS的探测阶段,其视线上的一扇门保持关闭以保护微量热计免于可能的污染,因为飞行器上所搭载的物质也会向真空空间释放残余的气体。这扇门被设计得使X射线以减少的水平通过,但是它很必要地在一些低能X射线到达探测器前将它们吸收。

“软X射线光谱仪(SXS)是一项技术的奇迹,运行效果好到令人瞩目,尽管部分受阻,但超出了它的绩效目标。”合作者、戈达德X射线天体物理实验室主管、“瞳”项目美方科学家罗伯特?彼得(Robert Petre)说到。

对英仙座的观测结果给了我们对X射线微量热技术将会为天体物理学带来的巨大进步诱人的一瞥。美国的研究人员在1980年代开辟了这项技术的发展,但是“瞳”卫星极其短暂的运行标志着这一技术迄今为止最成功的空间应用。

“我们使用一个能够解析到各种原子发射线成分的仪器来观测一个星系团还是第一次,而且我们立即看到了与现有模型之间的矛盾。”来自戈达德的团队成员马克西姆?马尔科维奇(Maxim Markevitch)说,“这是一个被期待已久用来诊断宇宙等离子体的状况的工具,我们最终可以将其应用于星系团,基于这些数据就会有很多论文的发表。”

“瞳”(Hitomi)是在它被作为ASTRO-H发射前有的名字。这项任务由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的下属部门宇宙科学研究所开展。“瞳”航天器由JAXA领导、NASA戈达德和美国、日本、加拿大和欧洲的其他机构参与的国际合作项目联合制造。( 原文作者:Francis Reddy,翻译:Yuk-Ming

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: