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找到大水庫~在外太空300億兆英里遠的地方~

水,無所不在。

為了進行在宇宙中找水的研究,兩組美國加州理工學院的天文學家對同一顆類星體下功夫,在這顆遙遠的類星體上,他們發現了一座超極大的水庫。類星體是宇宙中最亮和活動最為猛烈的天體,而這座水庫是人類有史以來所發現最大、最遙遠的水源。

研究人員所發現的這批大量水汽(不是汽水),質量至少有全世界海洋總量的140兆倍,等於10萬顆太陽質量,(如果能取回一部分這些水的話,不知道地球上還需擔心缺水問題嗎?)只不過,這些水比天邊還遠,在300億兆英里以外。

因為類星體極為遙遠,它發出的光,也要120億年才能抵達地球。因此,這些觀測所顯示的也就是宇宙大約在16億歲時的資料。這顆類星體最特別之處在 於,它周圍是被「質量非常大」的水環繞著。研究人員說:「我們的觀測顯示出,整個宇宙中,水無處不在,即便是非常早期的宇宙也不例外。」和這顆類星體相關 的發現,將發表於2011年8月號的「天文物理通訊」(Astrophysical Journal Letters)。

類星體的能量,是由一個巨大黑洞所供應,黑洞持續消耗掉周圍氣體和塵埃盤,負責吃進氣體和塵埃,類星體則會把大量的能量噴出來。這顆兩組天文學家都在 研究的類星體,名字叫做APM 08279 5255,裡面內藏著一顆大黑洞,質量等於200億個太陽,產出的能量更高達一千兆個太陽。

天文學家本來就預計在早期宇宙中應該有水汽存在,所以這回發現水,並不算讓他們太意外。我們的銀河系裡也有水汽,雖然總質量只有這顆類星體的1/4000,這是因為銀河系的水大多結成了冰,以冰的形式存在。

水汽是一種微量氣體,也是讓我們了解這顆類星體性質如何的一件很重要的事情。在這個特殊的類星體裡,水汽以氣體狀態分佈在黑洞周圍,經計算,整個區域 約寬達幾百光年(1光年大約是6兆英里)。此外,這些水汽還告訴我們另一件事情:如果以天文學的標準來看,算起來,在那顆類星體那邊的氣體溫度偏暖,並且 密度偏高。雖然那一團氣體已達攝氏零下53度,相當冷,而且和地球大氣層相比,密度還只有300兆分之一,不過拿它來和銀河系的平均溫度和密度相比,還是 比較暖活了5倍,且密度高了大約10至100倍。(銀河系在宇宙中算是相當典型的一個星系。)

水汽又僅是該顆類星體四周的各種氣體其中之一而已,它的存在表示這顆類星體還持續以X射線和紅外線輻射為氣體進行轟炸式泡澡服務,從輻射和水汽之間的 相互作用,可以顯示出氣體的屬性,也能看出類星體對它有何影響。例如,分析水汽便能顯示輻射如何加熱其他氣體成分。此外,測量水汽和其他譬如一氧化碳之類 的分子,還顯示出,那裡的氣體似乎足夠餵養黑洞繼續成長,直到成為現今六倍大。當然,後續是否果真會如此發展,並非絕對那麼明確,因為,天文學家說,有些 氣體最終可能會凝結,成為恆星,也有可能被類星體彈出來、消散掉。

兩個團隊研究同一顆類星體,其中的B團(由Bradford領軍)從2008年開始使用加州理工學院口徑10米的次毫米波望遠鏡(CSO),透過望遠 鏡上Z-Spec光譜儀進行相關觀測。(CSO外觀如圖,建造於1986年,位於夏威夷大島毛納基山山頂上,服役滿30年之後,即將於2016年除 役。)Z-spec是一個高靈敏度的光譜儀,在極低溫下工作,溫度必須保持近絕對零度,誤差不得多於攝氏0.06度。它是在電磁頻譜中的「毫米波段」進行 測量,毫米波段在整個電磁波譜中位置介於紅外線和微波波段之間。研究人員說,若不是Z -spec的光譜範圍比當時其他光譜儀多出了10倍,或許就不能有這次重要的發現。隨後他們又用位於美國南加州的「毫米波天文學聯合研究陣列」 (CARMA),以電波望遠鏡進行後續追蹤觀測。

團長Bradford說,這次發現讓我們認識到以「毫米/次毫米波」波段進行觀測的優勢,這是近30年來發展非常迅速的天文研究領域。為了使研究潛力 得以充分發揮,包括本篇研究報告作者Bradford在內的一群研究人員,正在智利的阿塔卡瑪沙漠設計興建即將取代CSO的第二代25米望遠 鏡:CCAT。藉由測量水的存在和其它重要的微量氣體,可以發現宇宙中早期的星系、也可以研究這些原始星系的組成成分。

兩個研究同一顆類星體的另一團,L團隊 (由Dariusz Lis領軍,他是加州理工學院物理學資深副研究員兼任CSO副臺長),所使用的則是法國阿爾卑斯地區的「布爾高原干涉儀」(Plateau de Bure Interferometer)來找水。L團隊一直在APM 08279 5255的頻譜上尋找氟化氫的影蹤,2010年時,偶然發現,在這個類星體的光譜上出現一個顯示著水的存在的訊號。該訊號的頻率對應到水從較高能階躍遷至 較低能階時發出的輻射。雖然L團只在單一頻率裡發現一個信號,但光譜較寬的Z-spec光譜儀,讓B團在較多頻率中發現水汽所發出的多種電波信號。B團隊 便是藉由水在各種頻率中的多種躍遷,更確定這顆類星體周圍氣體的物理特性,以及大如10萬顆太陽的水的質量。(來自外太空類星體的水,包裝成一罐罐「水汽 飲料」,應該很搶手吧?)(Lauren譯)

位於夏威夷毛納基山頂,口徑10.4米的加州理工學院次毫米波望遠鏡(CSO),即將於2016年除役。圖片來源:caltech/ CSO

位於夏威夷毛納基山頂,口徑10.4米的加州理工學院次毫米波望遠鏡(CSO),即將於2016年除役。圖片來源:caltech/ CSO

讀R團隊的論文

讀L團隊的論文

資料來源:轉載自中研院天文網, 2011.07.28, KLC

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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