找到大水庫~在外太空300億兆英里遠的地方~

2011/08/04 |

太空天文

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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）