首次發現星際颶風:比地球颶風快萬倍(組圖)

2011-05-14 21:00

這是一幅效果圖，展示一個擁有劇烈星系風暴的星系(網路圖片)

在軌運行的歐洲赫歇爾太空望遠鏡(網路圖片)

歐洲空間局的赫歇爾望遠鏡是全球在軌運行的最大口徑單鏡面太空望遠鏡，最近它探測到在一些合併星系中心部位發出的超高速分子噴流，其中一些噴流的速度高達每秒1000公里，比地球上颶風快萬倍。赫歇爾項目是一個由歐洲領導的國際合作計畫，美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)，加州理工學院和美國海軍研究實驗室(NRL)也參加了相關工作。它為科學家們開啟了一扇宇宙之門，讓我們得以加深對宇宙中的行星、恆星和星系如何形成和演化的瞭解。

這次探測到的星系噴流是由星系內部的恆星誕生過程和中央黑洞驅使的，其強度足以將數十億倍太陽質量的分子氣體吹入太空並和星際氣體發生相互作用。赫歇爾的觀測顯示，在一些擁有活動星系核(AGN)的星系中，這種強烈的星系颶風能吹散幾乎所有的塵埃和氣體物質，從而造成星系內部恆星形成過程停止，中央黑洞也得不到新的物質補給。這項發現的意義在於，它第一次找到了科學家們一直在苦苦尋覓的，有關恆星新生過程和黑洞吸積的負反饋機制。有關這一項研究的論文將發表在《天文學和天體物理學》以及《天體物理學報快報》雜誌上。

星系負反饋機制

德國馬克思·普朗克天體物理研究所(MPE)的恩克哈德·斯特拉姆(Eckhard Sturm)博士，美國海軍研究實驗室遙感分部的赫歇爾望遠鏡光學系統專家雅克·菲舍(Jacqueline Fischer)和一個國際科學家小組合作，獲取了這些富含氣體物質，處於合併過程的星系的太赫茲波段光譜數據。太赫茲即傳統上所稱的「遠紅外線」的電磁波，其波長介於微波和紅外線之間。

科學小組對多個此類天體進行了觀測，由於這類天體被大量氣體和塵埃包裹，在紅外線波段非常明亮，因此在天文學上也被稱為「極亮紅外星系」 (ULIRGs)。這一光譜學數據是採用赫歇爾望遠鏡搭載的PACS設備獲取的，這個設備由阿波利特·伯格裡希(Albrecht Poglitsch)博士領銜的一個小組設計建造。

此次觀測到的劇烈氣流是一個明顯的證據，說明星系內部存在強烈的星系風暴，這會對整個星系的整體質量和能量分布造成影響。在星系內部，這樣的風暴可以出現於大量恆星新生的位置，其出現的原因可能和劇烈的恆星星風和超新星爆發有關。這種情形同樣可能會發生於中央黑洞附近，物質盤旋下落進入黑洞時形成的吸積盤會由於劇烈的摩擦產生大量輻射，這種輻射產生的輻射壓會將大量物質吹散。當這種外沖氣流足夠強大時，它會掃蕩整個星系，從而導致恆星新生和黑洞吸積過程停滯，這樣一來也就阻止了這種劇烈氣流的形成。因此，這種劇烈的氣流可以被視作一種負反饋機制，它的產生本身會阻止它的進一步維持。

在星系形成和演化的模型中，劇烈的外向氣流是一個關鍵性的特徵，儘管之前的其他觀測中也曾探測到星系噴流，但所有這些案例中所發現的都是中性氣體或離子氣體，而此次則是首次觀測到低溫的分子氣體，這是恆星新生區的標誌。這一發現首次允許科學家們對這種負反饋機制在恆星新生過程中的作用進行直接的研究。

漩渦星系向橢圓星系的轉變

一般認為，橢圓星系是由富含氣體物質的漩渦星系合併後形成的。而在此過程中，極亮紅外星系則充當了一個中間步驟。根據這一模型。星系合併過程中會自然的產生劇烈的星風，這和觀測數據符合的非常好。另外，橢圓星系中含有大量老年恆星，缺乏氣體物質，並且幾乎沒有恆星新生的現象存在。這種情形和漩渦星系形成鮮明對比，後者的內部充斥著新生的恆星，並且富含氣體物質，這些都是形成恆星必不可少的的原材料。從漩渦星系向橢圓星系性質的轉變，必然需要存在某種轉變機制。劇烈的外沖氣流將星系內部的氣體物質一掃而光的情形就能非常好的對此進行解釋。而這也正是此次赫歇爾望遠鏡所觀測到的情形。

對於星系風暴的另一種符合邏輯的解釋是黑洞質量和宿主星系恆星總質量之間存在的緊密正相關關係。大質量的黑洞傾向存在於大質量星系之中，而小質量黑洞的宿主星系也相應小一些。這似乎說明黑洞成長和恆星的新生是緊密關聯的，兩者都開始於早期的豐富氣體物質儲備，但隨後都由於產生劇烈的外向星系風暴，將星系中的氣體物質一掃而光而陷入生長停滯。

赫歇爾的高靈敏度和絕佳的解析度讓科學家們首次得以測量出這種劇烈星系風暴的多普勒效應值，從而讓研究人員確信它們的強度足以掃蕩整個星系中的氣體物質。科學家們通過對羥基(OH)的光譜線分析來實現對這些星系風暴的追蹤。PACS設備驚人的光譜解析度讓天文學家們能清晰地辨認出這些物質由於角度和運動的差異而導致的紅移或藍移譜線。通過分析，科學家們驚奇的發現這些星系風暴的速度高達每秒1000公里，如此劇烈的風暴足以每年清掃出相當於數百個太陽質量的星系內部氣體。

尚需進一步驗證

觀測獲取的高解析度數據顯示，那些速度相對較低的噴流可能和星系內部的恆星形成活動有關，而那些高速噴流則可能是活動星系核(AGN)導致的。並且比較明亮的AGN似乎比較暗的AGN能以更快的速度向外清掃氣體物質。但有關這些數據結果的確認還需要選取更多樣本進行驗證性觀測。

儘管還需要進行更多樣本星系的觀測，但是赫歇爾已經獲取的早期觀測數據已經顯示，在那些具備強烈活動星系核信號的星系中，這種星系颶風吹散氣體物質的速率遠高於其星系內部形成新恆星的速率。這樣便似乎能夠提供一種有效的機制來耗盡其氣體物質儲備，以便其演化成為貧氣體的橢圓星系。在星系合併的案例中，這種由於星系風暴導致的負反饋機制可以在不到1000萬年的時間內便使恆星的新生過程幾乎完全停止。這樣的結果和橢圓星系的觀測特徵非常吻合：低溫氣體物質匱乏，老年恆星所佔比例很高。