根據最新研究結果顯示:超新星爆炸和黑洞怪獸的噴流,像是清除道路上的落葉用的吹葉機一樣,時常會將星系中製造新恆星所需的氣體塵埃等物質吹到星系之外。這項發現,填補了一個關於星系演化尚未完全解決的難題。這項發現,乃是在職於印度的Ananda Hota,在中央研究院物理及天文物理研究所(Institute of Astronomy & Astrophysics at Academia Sinica,ASIAA)擔任博士後研究員期間,利用美國航太總署(NASA)的星系演化探測者號(Galaxy Evolution Explorer,GALEX)和其他儀器所得的資料進行研究而得。
超大質量黑洞位在星系中心,當星系合併時,會因吞噬大量氣體而造成亮度陡然增亮,並向外發出強力噴流;這類超大質量黑洞稱為「活躍星系核( active galactic nucleus,AGN)」。根據理論,噴流所造成的震波或加熱橢圓星系裡的低溫氣體,並驅使逸散,從而使橢圓星系中的新恆星誕生工作中斷。Hota等人檢視的星系NGC 3801,恰好就處在前述這個星系演化階段中。 Timeline of the Rise and Fall of NGC 3801. Diagram Credit: NASA/JPL-Caltech NGC 3801有明顯證據顯示過去曾有過一場星系合併的事件,合併後的星系中心超大質量黑洞噴流所製造的震波近期才開始向外擴散。他們利用GALEX測定星系中的恆星年齡,並由此推測這個星系的演化歷史。紫外觀測顯示NGC 3801的恆星形成速率約在過去1~5億年間逐漸變得疲軟,證明這個星系已經開始脫離它的青年期。缺乏巨大的藍色新恆星,使得NGC 3801在可見光波段中呈現黃色至紅色的色調,這一點也顯示它正在步入中年期。
根據紫外波段的GALEX和紅外波段的史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)觀測顯示:NGC 3801星系中仍有零星的新恆星在形成。但從錢卓X射線觀測衛星(Chandra X-ray Observatory)的資料來看,這個殘燭餘火之舉,很快地就會在超大質量黑洞噴流的震波搗弄下熄滅。這股從星系中心向外疾衝的震波,速度高達每秒900公里左右;Hota等人估計,僅需約1000萬年的時間,就可衝到星系邊緣,將任何殘餘的低溫氫氣清除完畢,此時這個星系就當真進入紅而死寂的階段了。因此,這批天文學家運氣真好,恰好捕捉到處在恆星形成開始被抑制這個演化轉折點上的NGC 3801。
Hota表示:來自活躍星系核的反饋,約在10億年內便可完全抑制NGC 3801星系中的恆星形成,以典型大型星系約100億年的壽命而言,1億年算是很短的時間了。超大質量黑洞震波的威力如此之強,強到足以改變整個星系的演化,改變了這個星系的未來。Hota等人希望能繼續利用美國新墨西哥州甚大電波陣列(Very Large Array)和可見光波段的史隆數位巡天(Sloan Digital Sky Survey)資料,進一步研究這個星系的轉折概況。
北落師門殘屑盤的觀測始於 1983 年。當時,美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的紅外線天文衛星(Infrared Astronomical Satellite, IRAS)發現北落師門在紅外線波段的亮度異常高,代表周圍很可能有殘屑盤圍繞。由於北落師門離地球僅約 25 光年,這項發現引起眾多天文學家的關注,並在未來數十年前仆後繼地拿出各波段最好的望遠鏡,希望藉此深入了解殘屑盤的特性。其中,哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST,簡稱哈伯望遠鏡)、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)與韋伯望遠鏡擁有非常好的空間解析度,因此能夠清楚地觀測殘屑盤的結構。
● 哈伯的觀測
2008 年, NASA 公布哈伯望遠鏡在 2004 與 2006 年對北落師門的觀測結果(圖三),讓天文學家首次清晰地看到北落師門殘屑盤的影像。這張照片是哈伯望遠鏡以日冕儀(coronagraph)在 600 奈米(nm)的可見光波段下拍攝,中間的白點代表北落師門的位置,而周圍的環狀亮帶正是因散射的北落師門星光而發亮的殘屑盤,放射狀的條紋則是日冕儀沒能完全消除的恆星散射光。除此之外,天文學家還發現有一個亮點正圍繞著北落師門運行,並認為此亮點可能是一顆圍繞北落師門的行星,於是將它命名為「北落師門 b 」。很可惜在往後的觀測中,天文學家發現北落師門 b 漸漸膨脹消散,到 2014 年時就已經完全看不見了。因此它很可能只是一團塵埃,而非真正的行星。
圖三:哈伯望遠鏡於 2008 年公布的北落師門。中間白點代表北落師門的位置,周圍環狀亮帶是因散射北落師門的星光而發亮的殘屑盤,放射狀條紋則是沒完全消除的恆星散射光。右下角亮點當時被認為是圍繞北落師門的行星,但很可能只是塵埃。(Ruffnax (Crew of STS-125);NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, and E. Kite (University of California, Berkeley), M. Clampin (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Calif.), and K. Stapelfeldt and J. Krist (NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.)
● ALMA 的觀測
ALMA 對北落師門的完整觀測於 2017 年亮相,他們展示出更加清晰漂亮的環狀結構,且位置與哈伯望遠鏡的觀測吻合。正如前面提到,殘屑盤中的塵埃溫度愈低,放出的輻射波長就愈長。因此 ALMA 在 1.3 毫米(mm)波段觀測到的影像,主要來自離殘屑盤中恆星最遠、最冷的部分。
圖四: ALMA 於 2017 年拍攝的北落師門殘屑盤,展示出清晰漂亮的環狀結構。(Sergio Otárola|ALMA (ESO/NAOJ/NRAO);M. MacGregor)
最後,在類古柏帶環與內側殘屑盤之間,還存在著一個半長軸約 104 AU 的「中間環」,在太陽系中則沒有對應的結構,這項新發現也需要進一步的研究來了解它的來源。
此外,雖然北落師門 b 最終被證實並不是一顆行星,但這並不代表北落師門旁沒有行星環繞。最初,殘屑盤的形成原因是由小行星等天體不斷碰撞所產生,經過不斷地碰撞合併,其實就有可能已經產生直徑數百到數千公里的行星。從北落師門的殘屑盤還可以推論,在內側殘屑盤與中間環之間可能有一顆海王星質量以上的行星,它就像鏟雪車般清除軌道上的塵埃,從而產生「內側裂縫」(inner gap)的結構。
Galicher, R. et al. (2013). Fomalhaut b: Independent analysis of the Hubble space telescope public archive data. The Astrophysical Journal, 769(1), 42.
MacGregor, M. A. et al. (2017). A complete ALMA map of the Fomalhaut debris disk. The Astrophysical Journal, 842(1), 8.
Gáspár, A. et al. (2023). Spatially resolved imaging of the inner Fomalhaut disk using JWST/MIRI. Nature Astronomy, 1–9.