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橢圓星系是從中心區開始「死透」

臺北天文館_96
・2015/04/24 ・1180字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

蘇黎世聯邦理工學院(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich,ETH Zürich或ETHZ)天文學家Sandro Tacchella利用哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope,HST)和歐南天文台(ESO)超大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)進行觀測,天文學家首度發現在大霹靂後約30億年的時期,星系的外圍區域仍在進行造星工作,但中心區域卻已經停工了。從這個情形看來,星系內的恆星形成現象似乎是從核心開始,並向外擴散,直到整個星系的恆星形成現象都停止,那麼這個星系就完全變成一個死寂的世界。

Galaxies die from the inside out

橢圓星系因其外型而得名。現今宇宙中到處可見的大質量橢圓星系,其中心區域內的恆星密度和質量都是我們銀河系中心區的10倍以上;事實上,這些橢圓星系含有的恆星數量約佔了宇宙誕生至今曾製造過的總恆星數量的半數,相當驚人。這些橢圓星系基本上都呈現紅色,星系內的恆星成員基本上都是年老的古老恆星,缺乏年輕的藍色恆星,星系內已經沒有新的恆星形成活動,星系內一片死寂。由橢圓星系內的紅色恆星的大致年齡,天文學家認為它們的宿主星系大約在100億年前就已經停止製造新恆星。然而,這個停工的時間點卻恰好處在宇宙中恆星形成活動的最高峰,當時許多星系都仍在大量製造新恆星,恆星誕生率約為現今的20倍左右。

credit:wiki
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天文物理學家早就想知道:既然橢圓星系的恆星形成活動也曾一度非常盛行,那麼最後到底是如何平息到如今幾乎死寂的狀態?

Tacchella等人研究22個質量各不相同的星系,年齡則約在大霹靂後30億年左右。利用哈伯的3號廣角相機(Wide Field Camera 3,WFC3),以近紅外波段進行觀測,可呈現老一點的恆星在恆星形成活動劇烈的星系內的空間分布狀況。此外,在自適應光學系統的輔助下,利用位在智利的VLT加上SINFONI儀器,可精確呈現哪裡有大量新恆星。將這兩種觀測結果綜合之後,便可呈現最詳盡的星系中各星族分布狀態的細節。

根據他們的研究結果,他們樣本中絕大部分的大質量星系在外圍區域的新恆星誕生率一直都非常穩定,但在稠密的中心區,恆星形成活動卻已經停止了。這證明大質量星系停止恆星形成的工作是由內而外的。這個發現解決了爭議許久的抑制恆星誕生的相關機制問題。

其中一種理論認為由於星系中心大質量黑洞在吞噬物質過程中所釋出的大量能量,將造星材料沖散,以致於無法誕生新恆星。另一種理論認為新鮮氣體停止繼續流入星系內,導致造星材料貧乏,無法誕生新恆星。當然還有其他不同的理論,不過從橢圓星系的恆星誕生活動是從中心而後逐漸向外停止的觀測結果看來,第一種理論似乎比較佔有優勢。這對瞭解宇宙是如何演變成如今我們所見模樣而言,是個非常關鍵的進展。

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「摩天大樓」黑洞出現在宇宙的「荒郊」
趙軒翎
・2016/04/07 ・1408字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

天文學家新發現了一個幾乎要破紀錄的超大黑洞,它的質量等同於170億個太陽!這個黑洞不僅出乎意料的位於宇宙中的「荒郊」,也比預估的巨大。這個黑洞是由台裔天文科學家、加州大學柏克萊分校教授馬中珮領導的團隊發現,也是團隊在近五年來發現的第二個大型黑洞。

下載
大黑洞電腦模擬圖。圖/NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI)

這個超大黑洞在哪裡呢?

它位於宇宙中的偏遠地區,星體數量少,距離我們 2 億光年遠的橢圓形星系 NGC 1600 中。

這個發現跌破了許多天文學家的眼鏡,他們原本認為大型黑洞只會出現在大型星系團的中心,偏偏這個大黑洞出現在這種偏遠、只有 20 幾個星系的星系團中。而說它「幾乎要破紀錄」,就代表還有比它更龐大的黑洞。目前發現最大的黑洞,質量為太陽的 210 億倍,它就是在后髮座星系團(Coma cluster) 這個相對比較大、擁擠的星系團,這個星系團就有超過 1000 個星系。

領導這次研究的加州大學柏克萊分校天文學家馬中珮說:「這次的發現就像看到一棟摩天大樓出現堪薩斯州的麥田中,而不是在大樓林立的曼哈頓。」

大黑洞特別在哪裡?

面對這個出乎意料的新發現,接下來天文學家還有得忙呢!首先,他們得調查更多星系,去看看這一個位於偏遠地區的 NGC 1600 大黑洞是特例,還是只是廣大宇宙中的冰山一角?馬中珮說,宇宙中還有不少與 NGC 1600 星系所屬的星系團相似的環境,這樣的環境甚至是后髮座星系團的 50 倍,這其中還會不會再次發現更多大型黑洞,就有待這些天文學家繼續研究了。

此外,NGC 1600 黑洞也比天文學家預期的「更大隻」。天文學家原先根據哈柏調查(Hubble Survey)對於黑洞的研究,歸納出了黑洞質量和它所在星系中央核心(galaxy’s central bulge of stars)大小成正比關係。這一次 NGC 1600 黑洞質量超級大,但它的星系中央核心卻顯得很稀疏,這個「正比關係」似乎沒有辦法應用在這個巨大的黑洞上了。

馬中珮團隊也嘗試對這超乎意料的現象提出解釋,他們認為這個大黑洞的成因,可能是因為早年兩個星系合併的結果。早期可能有兩個比較靠近的星系合併在一起,而在兩個星系中心的黑洞也越靠越近、越靠越近,直到形成一個更大型的黑洞。而且馬中珮也形容這個黑洞可能非常的「貪吃」,它在形成過程中不斷吞噬周圍的氣體,讓它自己越長越大,越來越壯。

「不過,現在它是一個『沉睡的巨人』了。」馬中珮說,大黑洞現在已經不再大量吞噬氣體。

怎麼發現這個大黑洞?

馬中珮和她所領導的 MASSIVE survey 計畫團隊,是這次發現大型黑洞的幕後功臣。

黑洞沒有辦法直接觀察到,需要透過一些間接的方式去找。以這次來說,馬中珮團隊透過位於夏威夷的雙子望遠鏡(Gemini Multi-Object Spectrograph)測量星體移動速度,他們發現這些星體明顯受到黑洞的引力,星體的移動速度也幫助團隊計算出黑洞的質量。

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位於夏威夷的雙子望遠鏡。圖/Gemini Observatory/AURA image by Manuel Paredes

他們發現在星系中心往外 3000 光年內的星體,一部份圍繞著黑洞轉,而且小心翼翼避免和黑洞太靠近;但另一部份卻直直遠離中心,這表示它們曾與黑洞靠太近以至於被黑洞的力量往外推,特別可能是發生在雙黑洞的狀況。以往拍攝的哈柏望遠鏡的影像也支持這樣的推測,他們發現 NGC 1600 星系中間的亮度,明顯比其他橢圓星系弱,這些被往外推的星體數量推測可能有 400 億個,根本就是把整個銀河系的星體都彈出去了!

資料來源:NASA

趙軒翎
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在「一日生科,終身科科」的年代,即使鬧家庭革命都堅持要念生科,卻在畢業之際決定走出實驗室找尋新的出路。因緣際會就這麼踏入了科學傳播領域,雖然一路跌跌撞撞,但仍相信自己可以用知識改變這個世界。聯繫方式:scimonth.chao@gmail.com

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橢圓星系是從中心區開始「死透」
臺北天文館_96
・2015/04/24 ・1180字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

蘇黎世聯邦理工學院(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich,ETH Zürich或ETHZ)天文學家Sandro Tacchella利用哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope,HST)和歐南天文台(ESO)超大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)進行觀測,天文學家首度發現在大霹靂後約30億年的時期,星系的外圍區域仍在進行造星工作,但中心區域卻已經停工了。從這個情形看來,星系內的恆星形成現象似乎是從核心開始,並向外擴散,直到整個星系的恆星形成現象都停止,那麼這個星系就完全變成一個死寂的世界。

Galaxies die from the inside out

橢圓星系因其外型而得名。現今宇宙中到處可見的大質量橢圓星系,其中心區域內的恆星密度和質量都是我們銀河系中心區的10倍以上;事實上,這些橢圓星系含有的恆星數量約佔了宇宙誕生至今曾製造過的總恆星數量的半數,相當驚人。這些橢圓星系基本上都呈現紅色,星系內的恆星成員基本上都是年老的古老恆星,缺乏年輕的藍色恆星,星系內已經沒有新的恆星形成活動,星系內一片死寂。由橢圓星系內的紅色恆星的大致年齡,天文學家認為它們的宿主星系大約在100億年前就已經停止製造新恆星。然而,這個停工的時間點卻恰好處在宇宙中恆星形成活動的最高峰,當時許多星系都仍在大量製造新恆星,恆星誕生率約為現今的20倍左右。

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天文物理學家早就想知道:既然橢圓星系的恆星形成活動也曾一度非常盛行,那麼最後到底是如何平息到如今幾乎死寂的狀態?

Tacchella等人研究22個質量各不相同的星系,年齡則約在大霹靂後30億年左右。利用哈伯的3號廣角相機(Wide Field Camera 3,WFC3),以近紅外波段進行觀測,可呈現老一點的恆星在恆星形成活動劇烈的星系內的空間分布狀況。此外,在自適應光學系統的輔助下,利用位在智利的VLT加上SINFONI儀器,可精確呈現哪裡有大量新恆星。將這兩種觀測結果綜合之後,便可呈現最詳盡的星系中各星族分布狀態的細節。

根據他們的研究結果,他們樣本中絕大部分的大質量星系在外圍區域的新恆星誕生率一直都非常穩定,但在稠密的中心區,恆星形成活動卻已經停止了。這證明大質量星系停止恆星形成的工作是由內而外的。這個發現解決了爭議許久的抑制恆星誕生的相關機制問題。

其中一種理論認為由於星系中心大質量黑洞在吞噬物質過程中所釋出的大量能量,將造星材料沖散,以致於無法誕生新恆星。另一種理論認為新鮮氣體停止繼續流入星系內,導致造星材料貧乏,無法誕生新恆星。當然還有其他不同的理論,不過從橢圓星系的恆星誕生活動是從中心而後逐漸向外停止的觀測結果看來,第一種理論似乎比較佔有優勢。這對瞭解宇宙是如何演變成如今我們所見模樣而言,是個非常關鍵的進展。

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在汽油檔和柴油檔間切換的黑洞
臺北天文館_96
・2012/06/28 ・1319字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

黑洞是一具極強大且有效率的引擎,一邊吞吃物質,一邊將所進食物質的能量歸還給宇宙。當黑洞吸引了物質進入,另一方面它也啟動了一個輻射出密集的X射線的機制,並供應著噴流的動能。不過,似乎卻並非每個黑洞都以同樣方式進行進食和能量釋出。這件事情教天文學家頗感困惑;最近,荷蘭天文研究團隊研究兩個活躍黑洞後找到了一些證據並提出一種新看法,他們嘗試為這個問題提出這麼一個解答:就像汽車引擎的換檔機制一樣,或許每顆黑洞也都是在兩種模式當中來去切換。

黑洞的噴流,從中央向外爆發出速度逼近光速的強力物質流,它就像燈塔發出的強力聚光燈光束,也能夠對週遭環境演化帶來重大影響。譬如星系中央超大質量黑洞的噴流,能夠在一個星系群中吹出巨大的泡泡並加熱星系群中的氣體。

黑洞噴流還有另一類大手筆製作,就是大家也不太陌生的哈尼天體(Hanny’s Voorwerp)。在該地區中的氣體在被鄰近星系的黑洞噴流束擊中後,新恆星開始形成。諸如此類的現象表達出一個訊息:了解黑洞如何製造和傳遞其能量實在有其重要性,不過到目前為止其中已知的訊息仍充滿著不確定,這種情形直到最近才有所改觀。

要明瞭黑洞這個引擎運作的方式,必須先能解釋黑洞釋放的X射線和黑洞的噴流兩者之間具有怎樣的關連性,這一點,直到2003年時,才因有了實際的觀測而較為明朗。在發現兩者間具有關連性的頭一年所見的現象,似乎顯示所有的黑洞都以同樣的模式進食和運作,不過很快地,「怪胎」開始出現。一些特別不尋常的例子出現了,它們似乎仍然遵循著「能量經由X射線釋放轉換噴流」的規則,但是它們在進和出的比例上,卻和「模範寶寶」型黑洞之間似乎存在著差異。後來又發現到這種怪胎的數量竟是越來越多,看來似乎是「有兩種黑洞」:一種是燒汽油的引擎,而另一種則是燒柴油的引擎,所以運作模式才不盡相同。

多年來天文學家都在努力,希望合理化這兩類黑洞族群間所呈現的不同特性,但成績不太好。最近Michael Coriat等人的研究成果總算向前跨了一大步。他們發現,同一顆黑洞,似乎會在兩種高低效能模式當中做切換,亮度也會不同。這意思是黑洞未必按照兩種不同的引擎來做分類,反倒是,每顆黑洞都可遵循兩套規則,時而柴油,時而汽油,就好像在高、低檔上做切換一樣。

現在,兩位來自荷蘭SRON 太空研究所的研究員Peter Jonker 和他的博士後學生Eva Ratti同樣也對這個謎體的解開做出重要貢獻。他們使用錢卓太空望遠鏡做X射線的觀測,又用位於新墨西哥州的Extended VLA做電波觀測,觀測目標是,兩個黑洞系統的完整瘋狂進食過程。Eva Ratti 發表評論說:「無獨有偶地,我們所觀測的這兩顆黑洞也是會換檔的黑洞,這表示會換檔並非單一一個特別的黑洞所獨具的特性。事實上,我們的研究結果認為換檔現象應該在所有黑洞中都相當普遍。同時我們也發現,在這三個黑洞系統中發生換檔的時機,都同樣是在一個固定的X射線亮度範圍內」

上述最新研究成果對解釋黑洞的引擎功能,以及黑洞對於其週遭環境的演化影響等相關理論模型,是相當有意思的發現。相關論文獲刊於皇家天文學會月刊(MNRAS)。(Lauren譯)

資料來源:中研院天文網[2012.06.15]

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深凝細看半人馬座A星系
臺北天文館_96
・2012/06/19 ・1600字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

半人馬座A星系(Centaurus A)另編號為NGC 5128,距離地球約1200萬光年,位在南天的半人馬座方向。這個星系是由英國Parramatta天文臺的天文學家James Dunlop於1826年8月4日發現的。它是個特殊的大質量橢圓星系,星系中心有個超大質量黑洞,也是全天最著名、離地球最近的電波星系(radio galaxy)。天文學家認為:其明亮的核心、強烈的電波輻射及鮮明的噴流特徵,都是其核心高達1億倍太陽質量的超大質量黑洞的傑作。

右圖是歐南天文台(European Southern Observatory,ESO)位在智利La Silla觀測站2.2米MPG/ESO望遠鏡以廣角相機(Wide Field Imager,WFI)所拍攝的半人馬座A星系,不僅彰顯了其橢圓星系的外觀,還顯示星系比較昏暗的外圍部分呈現拉長的型態,像顆雞蛋一樣。半人馬座A星系中的恆星數量多達數千億顆,多半是表面溫度較低的老恆星。但與絕大多數橢圓星系不同之處在於:半人馬座A星系平順的外觀中,有條扭曲的暗色塵埃帶橫亙於星系中心。

這條塵埃帶聚集了大量氣體、塵埃和年輕恆星。在塵埃帶的右上和左下邊緣可見明亮的年輕恆星星團因游離氫氣而發出紅色光輝;塵埃帶有些部分的塵埃量則濃到足以遮蔽後方明亮的背景。這些特徵,加上其顯著的電波輻射,都顯示半人馬座A是兩星系合併的結果。塵埃帶是可能其中一個螺旋星系的殘餘,但在合併成橢圓星系過程中受到重力擾動而顯得扭曲。

來自WFI的這系列嶄新影像,是紅、綠、藍濾鏡,加上氫離子濾鏡和氧離子濾鏡等各自做長時間可曝光後合成的結果。其中離子濾鏡部分,可捕捉半人馬座A的可見光噴流特徵,這個在先前的其他WFI影像中是很難見到的。

  從星系向左上角延伸出兩道紅色的絲狀構造群,這些絲狀構造基本上與電波影像中的噴流平行;這兩道絲狀構造基本上都是恆星誕生區,含有許多熾熱的年輕恆星。在塵埃帶左側上方、較靠星系內側的絲狀構造,距離星系核心30,000光年;而在靠近影像左上角、較外側的絲狀構造,距離星系核心則約65,000光年。另外,可能還有一道非常暗的噴流向影像右下角延伸。不過,天文學家尚不清楚這兩道絲狀結構的來源,目前較可能的原因可能是核心單獨發出的輻射游離此處物質的結果,或是氣體團塊彼此間互相衝擊的結果。

天文學家已利用各種波段、廣泛地研究過半人馬座A星系,其中特別的是電波波段和X射線波段的觀測,為研究星系中心超大質量黑洞的強烈外放能量與黑洞周遭環境交互作用最有利的兩個波段,而天文學家目前也正開始利用位在智利阿塔卡馬沙漠的全球最大電波陣列—ALMA來研究半人馬座A星系,如左圖。此外,天文學家也嘗試利用地面望遠鏡搜尋並研究類似半人馬座A這樣本地星系群以外的星系中的變星;截至目前為止,天文學家已在半人馬座A星系中發現超過200顆新的變星。

若要避開塵埃帶的遮蔽、直擊星系核心部分的內部狀況,天文學家必須使用波長較長的光來觀察半人馬座A。左圖為ALMA利用波長1.3毫米來觀察一氧化碳所發出的輻射。其中各種不同的顏色,是不同氣體雲因分佈與運動所引起的都卜勒效應造成的,綠色代表氣體雲運動方向朝向地球,橘色則代表氣體雲朝向遠離地球的方向運動。塵埃帶左右兩側顏色不同,呈現出半人馬座A這個星系的自轉狀況,或者說是這個星系中的氣體雲繞星系中心公轉的運動狀況。

影像底圖其實是另一座新技術望遠鏡(New Technology Telescope,NTT)的近紅外波段影像。影像中可見一圈以金色顯示的恆星和星團散佈,如塵埃帶一樣,是合併成這個巨型橢圓星系之前的螺旋星系的殘餘物質,在合併過程中受到重力拉扯而扭曲。NTT觀測到的這圈恆星,和ALMA觀察到的氣體雲,其實看到的是半人馬座A的同一結構特徵。

ALMA預定將於2013年全部竣工,屆時可有66座高精度天線同時運轉。ALMA目前僅完成設置約一半天線,但已完成的部分已經展現驚人的觀測能力。

資料來源:

  1. A Deeper Look at Centaurus A[2012.05.16]
  2. ALMA Turns its Eyes to Centaurus A [2012.05.31]

轉載自台北天文館之網路天文館網站