钱德拉X射线天文台十大科学发现
Liz Kruesi　文　Shea　编译
	钱德拉X射线天文台向我们展现了物质冲向黑洞时的情景、暗能量是如何影响星系团生长的以及宇宙中有多少的活动星系。 1999年8月26日，钱德拉X射线天文台的科学家们召开一场媒体通气会，披露了这架空间望远镜所获得首批图像。如同往常，他们选了一个漂亮的天体来拍摄，希望公众能喜欢；被选中的是仙后A，它是一颗大质量恒星超新星爆发的遗迹。让天文学家们吃惊是，当仙后A的数据被显示到计算机屏幕上时，在它的中心有一个前所未见的明亮点状天体。这个亮点是一颗中子星，是大质量恒星残余的核心。此前，天文学家推测仙后A包含了一个这样的天体，但在“钱德拉”上天之前没有人见过它。 从那天起的近15年来，“钱德拉”的团队已做出了许多类似的惊人发现。这个天文台显然不是第一颗X射线卫星，但它有着一项非凡的能力：无与伦比的角分辨率。它可以区分小到0.3个角秒的细节；这相当于在16.7千米之外分辨出一枚硬币。 “钱德拉”的惊人视力向天文学家们展现出了宇宙中最高温天体的X射线辐射，例如爆炸的恒星、活跃黑洞的周边区域、巨大的星系团和新生的恒星。这些都是在它之前所无法被看见的。凭借其这一令人难以置信的分辨率，科学家们解开了许多宇宙中的高能谜题，包括超大质量黑洞是如何影响星系生长的、宇宙神秘暗物质的特性以及超新星遗迹中的细节。除了这3个之外，下面还将列出“钱德拉”最重要的另外7个发现。值得注意的是，“钱德拉”的任务并没有结束，至今仍在进行中。 [图片说明]：钱德拉X射线天文台的艺术概念图。版权：NASA。 1. 星系团生长揭示暗能量 多年来，天文学家一直在使用“钱德拉”来研究宇宙的谜题，这其中就包括了驱动宇宙加速膨胀的暗能量。具体来说，科学家们测量了暗能量是否会影响星系团的形成和生长。在2009年公布的一项研究中，天文学家们分别测量了处于两个不同宇宙时期的86个星系团，来看看它们的生长是否依赖于它们所处的时间。 根据这些星系团中发出X射线气体的温度和密度，可以计算出它们的质量，结果显示星系团结构生长的速度在过去的50亿年中有所放缓。此后，天文学家将测量出的星系团质量和宇宙结构的计算机模拟进行了比较，发现有一个模型与他们观测到的相符。结果显示，只有包含了暗能量的模型才能解释星系团结构的演化。 对暗能量的这些限制可以与其他的观测限制相结合，例如对Ia型超新星和宇宙微波背景辐射的观测。把它们综合到一起之后，就可以更好的限定暗能量在宇宙中所占的比例并为它的本质提供进一步的线索。 2. 黑洞“吹”泡泡 在每个大型星系的中心都潜藏着一个超大质量黑洞。在每个星系中都包含有成百上千个星系，其中最大的位于其核心附近。通过研究这些星系团中高温气体的X射线辐射，天文学家正在了解在这样的动荡环境下所发生的剧烈事件以及它们的影响。通常情况下，由于中央星系的黑洞会吞食周围的气体并发出辐射，因此处于活跃状态。 科学家们发现，星系团中质量最大的星系的中心黑洞不仅会影响其宿主星系，还会影响到其所在的星系团。在一个活动星系中，从紧邻黑洞的地方会射出高能辐射和粒子喷流，它们随后会撞入周围的物质并驱逐高温气体，形成气体空腔。这正是黑洞的“打击力”，如果计算驱逐所有这些气体所需的能量，这个数字会大得惊人，由此可见它的强大威力。 虽然前几代的X射线卫星在英仙星系团中发现了存在空腔的线索，但“钱德拉”则向世人展示了更多这样的案例。由中央黑洞清出的这些空腔可延伸约3～30万光年。天文学家还认为一些空腔会产生某种形式的激波，可以看到这些波在介质中传播的情形。在所有被分析和研究的事例中，黑洞所能创建的结构都比自身的尺度大至少10亿倍。它向其所在的环境输入了大量的能量，加热气体或把它们驱散——抑制了恒星形成和星系的生长。 3. 巨型星系团碰撞 在可见光下看一个星系团，你会看到一个由数百或数千个星系——每一个都含有数千亿颗恒星——组成的巨大集合。但在X射线之下，你会看到位于这些星系之间的大量高温气体所发出的高能辐射。事实上，星系团中高温气体的质量是其中星系质量的7倍。然而，即便如此这些普通物质仍只占星系团总质量的一小部分。其他的则是神秘的暗物质。“看到”暗物质的一个办法是研究由小型星系团碰撞并合而成的巨型星系团。 最有名的例子是子弹星团（1E 0657-55.8），它就是这一碰撞的产物。在两个星系团并合的过程中，它们的气体会通过电磁力发生相互作用。气体会损失能量，进而相对星系和暗物质其速度较慢。 天文学家将“钱德拉”在21世纪初所做的X射线观测和可见光波段的引力透镜效应进行了比较。从地球的角度看去，子弹星团的巨大质量为弯曲其背后遥远星系所发出的光。因此，这些背景星系会发生轻微的扭曲和形变。虽然不知道它们原本的形状是什么样的，但从统计学上可以平均出一个结果，反映出星系团中物质团块的质量和分布。 在比较了这两种分布之后发现，发出X射线的高温气体确实落后于星系团中绝大部分的物质，两者并不同步。这一偏离为暗物质主导了星系团的总质量提供了直接的证据。子弹星团还为暗物质的存在提供了另一个证据。根据对子弹星系团并合的观测，科学家们可以进一步限定暗物质的特性，即暗物质团块之间可以不受影响地彼此穿过。 4. 超大质量黑洞双星 2001年，在使用“钱德拉”对星系NGC 6240进行观测时，天文学家发现在它的中心有两个活跃的巨型黑洞。这是首次拍摄到超大质量黑洞双星的影像，从那时起又发现了几十个这样的系统。 距离地球最近的超大质量黑洞双星系统位于旋涡星系NGC 3393，距离约1.6亿光年。其两个黑洞的间距为490光年。 这些观测生动地证明，通过星系间的碰撞并合形成了更大的结构，即便是它们中央的超大质量黑洞最终也会合并。在迄今为止所发现的例子中，完成这些并合过程还要花几百万年的时间。当超大质量黑洞相互彼此靠近的时候，会释放出引力辐射，天文学家希望未来的引力波天文台能直接探测到它们。 5. 银河系超大质量黑洞的变化 就在投入使用后几个月，“钱德拉”便第一次明确地探测到了来自银河系中心超大质量黑洞的X射线辐射。意外的是，这个超大质量黑洞，被称为人马A*，平均每天会发生一次爆发。 但在首次发现这一X射线爆发之后14年，天文学家仍不知道它们的确切成因。就像在太阳上所观测到的，这些爆发可能是小规模的磁重联事件所造成的。另一种观点则认为是中央黑洞瓦解小行星。这两者都与数据吻合得很好，目前还无法区分内容迥异的这两个理论。 在“钱德拉”对人马A*多年的观测中，天文学家还有其他意外的发现。目前已观测到了微弱的光脉冲，它们是在大型爆发之后几百年才抵达地球的。这些光是经由人马A*周围的物质反射之后再飞向地球的，因此这些信号花了更长的时间才到达我们。这些几年前才观测到的“回光”表明，在过去几百年中银河系中心的黑洞曾活跃地进食周围的物质并喷涌出辐射。 6. 监视年轻超新星遗迹的演化 自1999年10月以来，“钱德拉”就一直在追踪超新星1987A遗迹的演化。这颗超新星出现在银河系的卫星系大麦哲伦云中，是数百年来所发生的距离地球最近的超新星爆炸，为天文学家提供了一个研究超新星遗迹及其对星际介质影响的理想实验室。 从1999年10月开始，天文学家每年会对超新星1987A进行2次左右的观测。结果显示，超新星爆炸的激波正在加热爆心周围“内环”中的低温气体。1996年哈勃空间望远镜的观测显示，内环中有物质结在形成。“钱德拉”的研究表明，其中一些气体已被加热到了数百万度，足以发出X射线。近15年来，这一X射线源已增亮了50倍。随着激波在周围气体中的运动，已能够测量出X射线辐射的膨胀 。 真正诱人的是，这些激波的X射线可以帮助我们探测那些之前未被观测到的物质。这个“环”也许是一个延展盘的内边缘。天文学家将继续监视超新星1987A，看它是继续增亮还是逐渐变暗。如果它增亮，那说明这个环是一道边界；但如果变暗，则说明它真是一个环。 7. 探测超新星遗迹的结构 当一颗大质量恒星爆炸时，它会炸得一塌糊涂。然而，天文学家曾经认为这些爆炸是对称的。凭借“钱德拉”的高分辨率，才发现了它们的形状有多复杂。超新星绝不是球形的爆炸，存在很多的结构。 超新星爆炸的温度非常高，足以产生重元素。这些爆炸会向太空抛射富含各种元素的物质，这碎片构成了超新星遗迹，它可以向我们揭示出爆炸的威力。温度达数百万度的气体——例如超新星遗迹中——会发出X射线。被加热时，每种化学元素都会发出特定波长（或颜色）的光。天文学家收集来自超新星遗迹的光，仔细地把它们分解到不同的波段上，以此来确定其中有哪些元素。使用“钱德拉”，科学家已在超新星遗迹中发现了氧、硅、镁、铁和其他物质。观测显示，这些元素的分布并不是对称的。例如，仙后A具有两个富含硅的羽状抛射物，它们正沿着相反的方向向外膨胀。 天文学家还可以观测到超新星的物质与弥漫星际介质的相互作用。当垂死恒星的气体撞入周围的物质中时，撞击地点会被位加热并辐射出X射线。“钱德拉”的分辨率让科学家们看到这一冲撞的激波前锋。在第谷超新星遗迹中，天文学家发现了条纹状的结构，它们是电子沿着外向激波附近扭结的磁力线做螺旋运动而产生的。 有时候，天文学家可以综合对某个超新星遗迹的许多观测来逆向追踪其膨胀过程，进而搞清楚这颗爆炸的恒星是否有一颗伴星在向它输送物质。在对第谷超新星遗迹的研究中，发现了因一颗伴星遮挡部分的超新星物质而产生的“阴影”。所有这些观测都向科学家们展现了有关恒星死亡的细节，为其前身星的模样提供了线索。 8. 揭开弥漫X射线背景 1962年，天文学家探测到了漫天均匀的X射线信号，他们认为这是遍布宇宙的大量高温气体或者是大量无法分辨的单个点源所造成的。几十年的X射线观测分辨出了越来越多的辐射源，从根本上排除了高温气体产生弥漫X射线背景的可能性。然而，这些已知的辐射源仅占了所探测到信号的20%。 这时“钱德拉”的高分辨率就派上了用场。1999年底，天文学家对一个预期的星系团进行了观测。之前的观测表明它就该在那个位置上。但在那里却没有看到星系团，而是大量的点源。结果发现，它们竟然是相当遥远的活动星系核。然后，天文学家们做了一些简单的计算，发现它们占据了80%以上的X射线背景。 经过28个小时的观测，科学家们得到了答案，同时还完成了“钱德拉”的主要科学目标之一。他们发现观测到了36个活动星系，这些天体可以解释绝大部分的X射线背景辐射。以前我们不知道竟然有这么多的黑洞躲藏在宇宙中，它们会向太空发射出大量的X射线光子，制造了这一X射线背景。 9. 黑洞的高速风 一个大约10倍于太阳质量的黑洞IGR J17091-3624和它的伴星正在跳一场引力之舞。该伴星正在抛射出其气体包层，而这个黑洞则很乐于笑纳。这些物质形成了一个围绕黑洞的吸积盘，它温度极高会辐射出紫外线。在靠近黑洞的地方，物质的温度会更高，发出X射线，天文学家由此可以使用“钱德拉”来对这些区域进行研究。 除了对天体进行成像之外，“钱德拉”还可以采集不同波长上辐射的有关信息。通过测量频率的漂移，科学家们就能了解物质的运动。2011年，研究发现IGR J17091-3624的吸积盘吹起的风速是之前所见恒星质量黑洞周围吸积盘的10倍，达到了光速的3%。 科学家随后将这些观测和几个月前的数据进行了比较，发现这个黑洞系统之前并没有刮起高速风。这意味着，类似的活动可以快速地切换变化。 10. 年轻类太阳恒星爆发 利用“钱德拉”的X射线视力，天文学家已经探测了年轻类太阳恒星的高能活动，暗示了我们的太阳年轻时的样子。2003年，“钱德拉”对猎户星云进行了近13天的观测。探测到了1,000多颗恒星，其中28颗具有X射线爆发。科学家们发现，这些恒星的年龄在100万～1,000万年之间。这些爆发要比在46亿年的太阳上所出现的猛烈得多，科学家想知道它们会对行星形成产生什么样的影响。 为此，天文学家综合了X射线和其他波段的观测资料。例如，红外观测可以显示出恒星周围的气体和尘埃盘，它们是行星的诞生地。研究人员还可以根据红外辐射估计出这些恒星的质量。由于年轻恒星是明亮的X射线源，科学家把它们的年龄、质量以及是否具有行星盘进行比较。 结果显示，质量是太阳5～10倍的恒星其周围的盘会在几万年内消失，而类太阳恒星其星周盘的寿命则要长得多。如果要形成像木星这样的巨行星，那就需要一个这样的行星盘。综合X射线和红外数据，天文学对不同质量恒星周围盘的寿命有了初步的了解。这些研究有助于了解年轻太阳周围的气体和尘埃盘是如何形成8颗行星以及无数颗小行星的。
[Astronomy 2014年07月]

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