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“钱德拉”的十大发现

1999年8月26日,“钱德拉”X射线天文台的科学家们举行新闻发布会,向公众展示这个新太空望远镜拍摄的第一张照片。按照惯例,他们选择了一个大家喜闻乐见的天体做为拍摄对象——仙后座A(Cas A),一颗大质量恒星发生超新星爆炸后留下的遗迹。“当’钱德拉’发来Cas A的照片,我们本应该装出惊讶地表情看着屏幕“,“钱德拉”项目科学家Martin Weisskopf(在美国阿拉巴马州Huntsville市美国宇航局马歇尔航天飞行中心工作)说,“没想到我们真的大吃了一惊。在Cas A中心,我们忽然发现了一个从未见过的明亮点源。”这个明亮的天体是一颗中子星——即大质量恒星死后留下的星核。天文学家早就从理论上预测出它的存在。可直到“钱德拉”上天后,我们才看到它。

超新星遗迹仙后座A是“钱德拉”X射线天文台的第一个观测目标。当天文学家观看“钱德拉”传回的图像时,他们惊奇地在仙后座A中心看到一个点源——一颗中子星(图中的湖蓝色斑点)。它是几百年前一颗大质量恒星爆炸成为超新星之后留下的致密星核。(图片来源:NASA/JPL-CALTECH/STScl /CXC/SAO(CASSIOPEIA A); NGST(CHANDRA X-RAY OBSERVATORY))

在这之后的15年时间里,“钱德拉”科学组为我们带来许多同样令人瞠目结舌的大发现。虽然“钱德拉”不是第一台X射线太空望远镜,它却因为拥有无与伦比的角分辨率而表现出众。它能够把天空中0.3角秒——与此对应的地面距离为16.7公里——大小的细节看得清清楚楚。

“钱德拉”的锐利目光帮助天文学家看到宇宙中最炽热的X射线发射源,例如爆发的恒星、活跃黑洞周围、巨大的星系团、还有新生的恒星。“它使我们看到前所未见的景象,”Weisskopf说。不仅如此,“钱德拉”的高分辨率还揭示出许多隐藏在宇宙高能现象背后的秘密,包括超大质量黑洞如何影响星系成长,神秘暗物质有什么性质,还有超新星遗迹的细节信息。这三大发现,外加其它七个重要发现,构成“钱德拉”的十个最重大天文发现。这些发现代表着这台太空望远镜取得的突出成绩。不过,“钱德拉”的职业生涯远未结束,它还会为我们带来更多新发现。

 

1. 星系团的成长揭示暗能量的秘密

“钱德拉”协助天文学家研究了许多宇宙奥秘。促使宇宙加速膨胀的神秘力量——暗能量便是其中之一。科学家专门研究了一下暗能量是否影响星系团的形成和演化。2009年,美国马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密松天体物理中心的Alexey Vikhlinin与同事测量了两个宇宙时期、共86个星系团的质量(其中49个选自近邻宇宙,另外37个选自55亿年前的宇宙)。他们想借此了解星系团的成长是否依赖于其形成、生长所处的宇宙时期。

为了解星系团的质量和数量如何随时间变化,天文学家对处于不同宇宙时期的共86个星系团展开研究。上图展示的星系团(编号Abell 85)便是其中之一。(图片来源:X-RAY:NASA/CXC/SAO/A. VIKHLININ, ET AL; OPTICAL:SDSS)

弥漫在星系团内的炽热气体发出X射线。通过测量这些气体的温度和密度,科学家可以推算出星系团的质量。他们发现在过去50亿年时间里,宇宙结构的生长速度变慢了。天文学家还把这个结果与计算机数值模拟出的宇宙结构形成历史进行比较,找出能够解释观测的理论模型。Vikhlinin在一次新闻发布会上宣布了他们的发现:“只有包含暗能量的宇宙模型能够解释星系团的演化。“

科学家把由此获得的有关暗能量的知识与从其它研究领域(比如说Ia型超新星和宇宙微波背景辐射)得到的零碎知识汇总起来,便可以了解暗能量在宇宙中所占的比重是多少,进而获得它究竟为何物的有益提示。

 

2. 黑洞“吹”泡泡

在每一个大质量星系的中心都潜伏着一个超大质量黑洞。而每一个星系团有几百、甚至几千个星系,质量最大的那个则稳居在星系团的中心。通过研究星系团内发出X射线的高温气体,天文学家可以了解那里发生的剧烈事件及其产生的结构特征。处于星系团中心的那个星系常常因为黑洞吞噬周围物质、发出辐射而变得活跃。

科学家们发现,星系团里质量最大的那个星系,其黑洞的影响范围不仅限于宿主星系,还波及整个星系团。在活跃星系内部,从紧邻黑洞的区域发出的高能辐射和粒子流猛烈撞击黑洞附近的物质,并且驱走炽热气体。“你很容易就能看到黑洞都干了什么,”美国加利福尼亚州斯坦福大学的Julie Hlavacek-Larrondo说。“如果计算一下推开气体所需要的能量,你会发现这能量大得惊人。你就见识到黑洞的威力到底有多大了。“

先前的X射线卫星曾经在英仙座A(位于英仙星系团中心的活跃星系)内部看到孔穴的迹象,“钱德拉”凭借其锐利目光在更多的星系团内部发现了这一结构特征。以吹出孔穴的黑洞为中心,这些结构体延伸到3万至30万光年远的地方。天文学家相信“这些泡泡引起某种激波。我们看到激波在星系际介质中振荡所形成的美丽波纹,”Hlavacek-Larrondo说。英仙座A展示的激波是天文学家见过的所有激波中最美丽的。在对所有例子进行分析之后,科学家们发现黑洞能生成比自身大至少10亿倍的结构。它把大量能量释放到周围环境中,加热气体并把它们驱走——因此妨碍了新恒星的形成和星系的成长。

在“钱德拉”的帮助下,天文学家已经发现了大约上百个超大质量黑洞驱走气体、并在宿主星系内产生孔穴的例子。这些长度达到成百上千光年的泡泡还会引起激波。上图是在X射线波段看到的英仙座A的波纹。(图片来源:NASA/CXCIOA/A.FABIAN, ET AL)

 

3. 巨大星系团的合并

如果在可见光波段观察星系团,你会看见由几百个、甚至几千个星系——每一个都拥有数十亿颗恒星——构成的巨大聚合体。但你如果在X射线波段观察它,你便能看到在星系之间弥漫着大量的炽热气体,因为这些高温气体能发出高能辐射。马里兰大学帕克分校的Richard  Mushotzky告诉我们,实际上,“星系团内气体的总质量大概是星系总质量的7倍”。即便如此,可见物质也只占了星系团总质量的一小部分而已。另一种神秘物质——暗物质——才是星系团质量的主要贡献者。通过研究由几个小星系团碰撞、合并生成的大质量星系团,我们可以“看”到遍布星系团内部的神秘物质。

最出名的一个星系团碰撞的例子便是Bullet星系团(编号1E 0657-55.8)。当两个星系团合并时,它们的气体也会发生电磁相互作用。气体因为损失能量而运动速度减慢,落后于星系团内的星系和暗物质。

天文学家将“钱德拉”的观测数据与可见光波段的引力透镜观测做比较。从地球上看去,Bullet星系团的巨大质量弯折了背景星系发出的光线。Harvey Tananbaum一直使用“钱德拉”进行观测,直至今年早些时候。他说“背景星系的影像因为引力透镜现象而被扭曲、拉长。你事先无法得知它们的形状。不过从统计上讲,你可以对大批量样本取平均,然后再反推出物质的分布。”

美国马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密松天体物理中心的Maxim Markevitch与同事比较了两种物质的分布。他们发现,辐射X射线的炽热气体的分布与星系团内绝大部分质量的分布并不一致。“这种分布上的偏差就是直接证据,说明主导星系团总质量的并非可见物质,而是暗物质。”Bullet星系团是另一个证明暗物质确实存在的证据。在星系团合并时,暗物质之间仅有微弱的相互作用(暗物质团块径直穿过彼此)。根据这一点,研究团队可以限定暗物质的属性。

由“钱德拉”X射线天文台拍摄的Bullet星系团(编号1E 0657-55.8)内炽热气体的分布(图中粉红色区域)。科学家根据引力透镜现象推算出星系团内的质量分布(蓝色区域)。可见物质聚集的地方与星系团内质量峰值的所在位置并不吻合,由此可知,星系团由看不见的物质主导着。(图片来源:X-RAY: NASA/CXC/CFA/M. MARKEVITCH, ET AL.;OPTICAL:NASA/STScl;MAGELLAN/UNIV. OF ARIZONA/D. CLOWE, ET AL.; LENSING MAP:NASA/STScl;ESO WFI/MAGELLAN/UNIV. OF ARIZONA/D. CLOWE, ET AL.)

 

4. 超大质量双黑洞系统

2001年,正当天文学家用“钱德拉”研究星系NGC 6240时,他们在其中心发现了两个活跃的超大质量黑洞。这是科学家首次发现超大质量双黑洞系统。自那以后,天文学家又陆续发现了几十个这样的系统。

2001年,天文学家在一个星系的中心发现了第一个超大质量双黑洞系统(编号NGC 6240)。他们认为此类系统是两个星系——彼此各带一个黑洞——合并的结果。(图片来源:NASA/CXC/S. KOMOSSA, ET AL.)

距离我们最近的双黑洞系统位于1亿6千万光年远的旋涡星系NGC 3393。两个黑洞成员彼此相距490光年远。

双黑洞系统的存在使天文学家更加相信星系合并能够形成更大的结构。在星系合并时,其中心的超大质量黑洞最后也会合而为一。根据目前已知的例子,黑洞的合并需要耗费数百万年时间。当它们彼此靠近时,它们会释放出引力辐射。天文学家希望未来相关的探测项目能够找到此类引力波存在的直接证据。

 

5. 银心超大质量黑洞的变化

“钱德拉”仅仅开工几个月便帮助科学家首次确认了银心超大质量黑洞发出的X射线辐射。不仅如此,“钱德拉”还看到了令人惊奇的景象:这个黑洞(也被称为人马座A)出现X射线耀斑。现如今,科学家已经知道此类耀斑平均每天发生一次。

当“钱德拉”用银河系中心“练手”时,天文学家确认了银心的超大质量黑洞。此外,他们还监测到那里平均每天发生一次X射线耀斑。耀斑爆发的原因目前仍不清楚。(图片来源:NASA/CXC/MIT/F. K. BAGANOFF, ET AL./E. SLAWIK)

从首次看到X射线耀斑算起,已经过去14年了,科学家仍然不知道这些耀斑是怎么产生的。“这些耀斑可能是小规模磁场重联导致的,与我们在太阳表面看到的情况类似,”美国伊利诺伊州埃文斯顿市西北大学的Daryl Haggard说,“另一种解释是小行星被黑洞分解,产生了耀斑。它可以解释耀斑的数量。这两种理论都能很好地解释观测结果。但它们是完全不同的理论,我们目前无法区分到底哪一个才是产生耀斑的根本原因。“

就在“钱德拉”观测人马座A的几年时间里,天文学家还侦测到许多其它惊奇事件。他们看到了在大规模辐射爆发之后几百年才传到地球的微弱光脉冲信号。其中一部分原始光波在到达地球之前,曾在人马座A附近的遗迹中来回反弹。因此,这些信号传到地球的旅途更加漫长,我们需要等待更长时间才能看到它们。在过去几年里看到的光“回波“告诉我们,银心的黑洞在过去几百年里一直积极地吞噬着周围的物质,因而源源不断地发出辐射。

“银心蕴藏着极其丰富、有趣的信息,”Haggard说,“每次在X射线波段观察那里,你都会有所发现。”

 

6. 目击年轻超新星遗迹的演化

“钱德拉”自1999年10月开始,一直追踪着超新星1987(发生在1987年2月的一次恒星爆炸)遗迹的演化。这个超新星爆发位于大麦哲伦云——银河系的一个卫星星系。它是最近几百年里离我们最近的超新星爆发。它为天文学家提供了一个天然实验室,用来研究恒星爆炸留下的遗迹如何变化、如何影响周围弥漫的星际介质。

从1999年10月起,美国宾西法尼亚州立大学的David Burrows和同事大约每年观测SN 1987A两次。“在爆炸发生的地方,我们发现爆发引发的激波加热了’内圈’的冷气体,”他说。1996年,哈勃望远镜的观测指出“内圈”物质有结团现象。“钱德拉”的观测揭示出一部分气体被加热到几百万度高温——足以发出X射线辐射。“从我们开始观测以来,这个X射线源的亮度增加了近50倍。我们还测量到X射线辐射随着激波在星际介质中的传播而发生膨胀。”Burrows说。

最近几百年里,距离地球最近的超新星爆发是超新星1987 A。在“钱德拉”上天后不久,科学家便用它观测这个天然天文实验室是如何演化的。现在,他们已经追踪到当年恒星爆炸引起的激波怎样加热了周围的物质。(图 片来源:KARI FRANK AND DAVID BURROWS, PENN STATE)

“从激波波前发出的X射线可能会向我们揭示出前所未见的物质。这是将来最令人好奇的事了,”他补充说到。“这个’环’可能只是一个延展的盘状结构的内边界。”天文学家将会继续监测SN 1987A,看看它接下去是继续变亮还是变暗。如果变亮,那个环就是盘的边界;如果变暗,那它就的的确确是一个环了。

 

7. 超新星遗迹的内部结构

大质量恒星爆炸时,既炽热又混乱。即便如此,天文学家也曾认为爆炸是对称的。“‘钱德拉’的高分辨率让我们见识到恒星爆炸是多么地复杂和不均匀,”美国斯坦福大学的Julie Hlavacek-Larrondo说。“它绝不仅仅是一个球体发生爆炸那么简单;其内部存在着许多结构。”

发生爆炸的恒星——也叫超新星——非常炽热,温度高到足以使较重的元素熔化。爆炸把富含多种元素的炽热物质抛洒到星际空间,形成超新星遗迹。这个多姿多彩的帷幕状结构体展示了爆炸的动力学特征。上百万度高温的炽热气体——比如说与超新星有关的那些气体——发出X射线辐射。每种化学元素被加热后都会在特定波长(或说颜色)发出辐射。天文学家收集超新星遗迹的辐射,并把它按波长进行分解,由此确定哪些元素发出了辐射。在“钱德拉”的协助下,科学家绘出了氧、硅、硫、镁、铁及其它元素在超新星遗迹中的分布。

结果表明,这些元素并不是均匀分布在遗迹中。举例来说,超新星遗迹仙后座A向两侧伸展的翼状结构便富含硅。

除此之外,天文学家还仔细观察了超新星物质与弥漫的星际介质的相互作用。当气体被垂死恒星抛出,并与周围的物质发生碰撞时,物质受热升温,发出X射线辐射。“钱德拉”的高分辨率使科学家看到撞击引起的激波波前。天文学家在第谷超新星遗迹中发现一些条纹。这些条纹出现在向外扩展的激波附近,是电子在围着纠结缠绕的磁力线做回旋运动时产生的。

“钱德拉”凭借其高分辨率展示出恒星爆炸遗留下的、前所未见的细节。天文学家在第谷超新星遗迹中发现了缠绕磁场造成的条纹(右侧两箭头所指),还看到伴星因为阻碍超新星爆发留下的痕迹(左侧箭头所指)。(图片来源:NASA/CXC/CHINESE  ACADEMY OF SCIENCE/F. LU, ET AL.)

有时候,为了回溯超新星遗迹的膨胀过程,或者看看爆炸的恒星是否有伴星供其侵蚀,天文学家会把同一超新星遗迹的各种观测结果综合起来加以研究。对第谷超新星遗迹进行此类研究时,科学家们发现了伴星的“魅影”。在恒星爆炸时,伴星因为阻挡了一部分物质运动而在遗迹中留下了痕迹。这些观测为科学家提供了恒星死亡过程的细节,帮助他们重构恒星演化的图景。

 

8.多产的活动星系核

1962年,天文学家在全天范围内探测到一个均匀分布的X射线信号。他们当时认为这个信号要么来自宇宙中弥漫的热气体,要么是众多点源产生的集体效果。数十年的X射线观测分辨出越来越多的高能发射源,实际上完全排除了这个弥漫的X射线背景辐射来自热气体的可能性。尽管如此,已知的X射线发射源(比如说发出X射线辐射的活跃星系中心区域)也只能解释探测到的信号的20%。

接下来,明察秋毫的“钱德拉”出场了。1999年底,马里兰大学的Richard Mushotzky与同事对着一个本该是星系团的位置拍照。(之前的观测指出那里有一个星系团)。“但是,你瞧,那里根本没有星系团,“他说。“只有一大堆点源。我们后来发现它们是遥远的活动星系核。进行简单计算后,我们发现超过80%的X射线背景辐射来自这些点源。

科学家在天空中的各个方向都探测到了高能辐射。在“钱德拉”上天之前,他们无法确定这一辐射的源头何在。后来,科学家们发现过剩的活跃星系喷发出大量X射线辐射。上面这张深场照片中的星星点点标记出这些星系的所在位置。(图片来源:NASA/GSFC(MUSHOTZKY, ET AL.))

经过28小时的观测,Mushotzky的研究小组解决了这个疑难,实现了“钱德拉”的一个主要科学目标。他们在那张照片里发现了36个活动星系核。绝大部分X射线背景辐射正是来自于这些天体。美国西北大学的Daryl Haggard总结道:“从前,我们不知道宇宙中究竟藏着多少个黑洞。原来它们向宇宙抛出了大量X射线光子,形成我们看到的X射线背景辐射。”

 

9. 黑洞吹出的高速风

一个质量高出太阳10倍的黑洞(编号IGR J17091-3624)与它的伴星在彼此的引力束缚下构成一个系统。伴星的气体外壳层被星风吹走,黑洞则坐享其成,乐得把这些气体据为己有。被俘获的物质围绕着黑洞形成吸积盘,因为受热而发出紫外辐射。相互作用使附近的物质发出X射线,使得X射线天文学家正好可以利用“钱德拉”观测、研究这一区域。

除了为天体拍照外,“钱德拉”还收集天体的光谱信息。通过观察谱线波长的移动,科学家得以知道天体的运动情况。2011年,Ashley King(当时正在美国Ann Arbor市密歇根大学工作)与同事一起研究IGR J17091-3624的谱线波长。他们发现,与所有已知的恒星质量黑洞附近的吸积盘吹出的风相比,这个黑洞的吸积盘吹出的风速是前者的10倍,达到光速的3%。

如上图所示,恒星质量的黑洞(编号IGR J17091-3624)从伴星那里窃取物质,并把它们添加到围绕自己的吸积盘里。天文学家用“钱德拉”研究这对天体,发现黑洞吸积盘吹出的风,其速度达到光速的3%,比之前所见的吸积盘风的速度高出近10倍。(图片来源:NASA/CXC/M. WEISS)

科学家把这一结果与几个月前的观测结果进行对比,发现这个系统以前并没有如此高速的风。从天文学角度讲,这说明从黑洞吸积盘吹出的风变化无常,并不稳定。

 

10.年轻的类太阳恒星发出大量耀斑

借助“钱德拉”出众的眼力,天文学家探测到年轻的类太阳恒星的高能活动。这些信息有助我们了解太阳年轻时的行为。2003年,天文学家盯着猎户座星云观察了近两周时间(13天)。他们在那里总共找到1000多颗恒星,其中28颗涌出X射线爆发。科学家探知这些恒星的年龄在1百万年至1千万年之间。可它们喷出的辐射能量远远高出太阳在其46亿年生命中所经历过的爆发。科学家想知道这些高能爆发对行星成长有何影响。

天文学家展开多波段观测,并对观测结果进行综合分析。例如,红外辐射揭示出恒星附近的气体尘埃云——形成行星的物质盘就位于其中。科学家还能根据恒星的红外辐射推算它的质量。由于年轻恒星是明亮的X射线源,科学家可以比较它们的年龄、质量,看看其周围是否有物质盘环绕。

研究发现,质量为5至10倍太阳质量的恒星,其附近的物质盘只能存在几百万年;接近太阳质量的恒星,其物质盘则能保留更长时间。“要形成像木星这样的巨行星,物质盘必不可少,而且行星形成的速度要快。”美国马萨诸塞州剑桥市史密松天体物理研究所的Harvey Tananbaum说。“结合X射线和红外波段的观测数据,我们开始对环绕在不同质量的恒星周围的物质盘寿命增进了了解。”此类研究为破解环绕年轻太阳的气体尘埃盘如何孕育出8大行星及无数小天体提供了有益的提示。

猎户座星云(编号M42)是数千颗恒星的家园。“钱德拉”帮助天文学家找到28颗类似太阳的恒星。这些恒星的年龄在1百万年至1千万年之间。它们经历过的强烈X射线耀斑比太阳多得多。这些高能爆发会影响到环绕恒星的气体尘埃盘,而那里正是孕育行星的场所。(图片来源:X-RAY:NASA/CXC/PENN STATE/E. FEIGELSON & K. GETMAN, ET AL.;OPTICAL:NASA/ESA/STScl/M. ROBBERTO, ET AL.)

 
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