巨型氣浪攪動英仙座星系團

一支國際科學家團隊通過將NASA錢德拉X射線天文台的觀測數據與射電觀測和計算機模擬相結合，發現了英仙座星系團附近熾熱氣體團形成的巨型宇宙波浪。 這道波浪橫跨約20萬光年的距離，相當於銀河系大小的兩倍。

研究者稱，這道氣浪形成於數十億年前，一個小星系團飛掠英仙座星系團後，飛掠導致小星系團的大量氣體在巨大的空間中波動翻滾。

在馬里蘭州格林貝爾特，NASA戈達德太空飛行中心的首席科學家Stephen Walker說：「英仙座星系團是離我們較近的質量最大的星系團之一，是最明亮的X射線源之一，因此錢德拉X射線天文台的觀測數據為我們提供了無與倫比的細節。這次所觀測到的氣體波浪的形成與一個小星系團的飛掠密切相關，並且導致這些巨型結構的這一（星系團）併合活動仍在繼續進行。

以上是由NASA錢拉德天文台拍攝並通過計算機模擬而成的影像，呈現了一個橫跨20萬光年的巨型波浪正穿過英仙座星系團。計算機模擬顯示該引力擾動可能起因於某個質量約為英仙座星系團十分之一的較小星系團飛掠過程中的碰撞。飛掠導致英仙座星系團中心的較冷氣體形成，以螺旋形式擴張的巨大結構，最終形成了在其周圍持續數億年的巨型氣浪。對於英仙座這樣的星系團，像這樣的併合事件，幾乎每三四十億年就會發生一次。

視頻來源：NASA戈達德太空飛行中心

2017年6月發行的《皇家天文學會月刊》上刊登了關於這次觀測結果的一篇論文，該論文已經可以在網上下載。

星系團是現今宇宙中受引力束縛形成的最大結構，英仙座星系團直徑約1100萬光年，距離我們約2.4億光年，因位於英仙座而得名。和其他的星系團類似，英仙座星系團中可被觀測到的物質主要是氣體，這些氣體的溫度高達千萬度，溫度之高使它只在X射線波段發亮。

錢拉德天文台的觀測結果展示了該氣體的多種形態，比如由英仙座星系團中央星系NGC1275的超大質量黑洞(SMBH)引起的氣泡狀結構，還有一種被稱為「灣」的神秘的凹陷結構。

錢德拉X射線天文台通過持續16天的觀測，製作出了該熾熱氣體的影像。科學家通過對數據的過濾處理 強化了了邊緣部分的結構對比，可以更好地凸顯出細節。上圖中的橢圓標記處就是那道比銀河系還要龐大的氣體波浪，凹形灣。

圖片來源：NASA錢德拉X射線天文台/ Stephen Walker等

在新墨西哥州，使用Karl G. Jansky甚大天線陣（VLA）的射電觀測結果顯示，與科學家們預示的與黑洞活動相關的特徵剛好相反，該氣浪中的凹形灣並不產生輻射，所以該凹形灣結構不可能是超大質量黑洞（SMBH）引起的。除此之外，晃動的氣體的標準宇宙模型 一般都會產生相反方向的結構。

Walker和他的同事們希望藉助錢德拉天文台進一步研究氣浪中的凹陷結構，他們結合了總共10.4天的高解析度數據和能量在700至7000電子伏特之間為期5.8天的寬視場觀測數據，相比之下，可見光的能量只有2到3電子伏特。科學家們對錢德拉天文台的觀測數據進一步過濾處理，以探究邊緣結構的細節。

接著，他們比較了邊緣強化處理後的英仙座星系團影像和併合的星系團的計算機模擬結果。星系團併合的計算機模擬工作由哈佛史密森中心的天體物理學家John ZuHone完成。在矽谷Ames研究中心，計算機模擬由NASA的超級計算機「昴宿星（Pleiades）」運行。雖然John ZuHone並未直接參与本文的這項觀測研究，但他將自己的 計算機模擬結果上傳到了網上的在線目錄中，為研究星系團的天文學家們提供幫助。

ZuHone 表示：「星系團的併合展示了宇宙結構形成的最新階段基於流體動力學的計算機模擬可以讓我們了解不同物理參數（如磁場強度）下，熾熱氣體相互作用的許多特徵。我們可以將這些模擬情況與X射線觀測到的影像結構進行比對。」

似乎可以解釋該凹形灣形成的原因。一個類似英仙座的大型星系團當中，包含一個約3千萬攝氏度的低溫中心區域和一個溫度為其三倍多的高溫外圍區域。一個較小的質量約為銀河系1000倍的星系團環繞英仙座星系團，距離其中心約65萬光年。

這幅動圖展示了英仙座星系團中的熾熱氣浪的兩種不同視圖。第一個是錢德拉X射線天文台觀測的英仙座星系團中心的熾熱氣體的最佳視圖，圖中紅、綠、藍分別表示從低到高不同能量的X射線。較大的那幅圖像則包含了寬視場觀測的額外數據信息，它經過了強化邊緣對比的特別處理，能夠更好地展現氣體的細節結構。我們所討論的氣浪凹形灣位於影像中央左下方的七點鐘方向。

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圖片來源：NASA/CXC/SAO/E.Bulbul/戈達德太空飛行中心/Stephen Walker等

較小星系團飛掠產生的引力擾動「攪拌」了星系團中的氣體，就像把奶油攪到咖啡里使較冷氣體形成了擴張的螺旋結構。大約25億年後，當這些氣體升至距離英仙座星系團中心約50萬光年的距離時，巨大的氣浪便形成了，它們從英仙座星系團的外圍翻滾而出。並且在這些氣浪最終消散之前，該過程會一直持續數億年。

這些熾熱的氣浪就是超大版的開爾文-赫姆霍茲波(Kelvin–Helmholtz)。開爾文-赫姆霍茲波是一種很常見的現象，當兩種流體交界面存在速度差異時，比如風吹過水麵的時候就會形成這種波浪。在海洋里、地球和其他行星上雲層的形成過程中、地球附近的等離子體中、甚至在太陽里，都會形成開爾文-赫姆霍茲波浪。

Walker說：「我們認為，這次在英仙座星系團中所觀測到的凹形灣就是某個開爾文-赫姆霍茲波的一部分，或許這是迄今為止證認的最大的開爾文-赫姆霍茲波，它的形成過程與我們計算機模擬的如出一轍。在半人馬座和Abell 1795兩個星系中，我們也曾觀測到類似的結構。」

研究者們還發現，這種波浪的大小與星系團的磁場強度有關。如果磁場強度太弱，波浪的波及範圍會比觀測到的更大。如果磁場強度過強，這些波浪或許根本不會形成。這項對宇宙中巨型氣浪的研究讓天文學家們能夠探查到這些星系團整個空間內的平均磁場強度，而利用其它方法測量星系團的磁場強度幾乎是不可能的。

這次NASA科學任務局的錢德拉觀測項目由位於阿拉巴馬州的馬歇爾太空飛行中心負責管理，錢德拉X射線天文台的科學任務及飛行操作則由馬薩諸塞州劍橋的史密森天體物理天文台負責。（翻譯：范修齊 校對：傅煜銘）

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