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紫金山天文臺等在神秘紫外輻射起源研究中獲新發現

發布:opticseditor    |    2020-03-12 16:39    閱讀:229
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億萬光年之外,巨型的中性氫氣體云產生了一類被稱之為萊曼-阿爾法(Lyman-alpha)的特殊紫外輻射,這類巨型的氣體云則被稱為萊曼-阿爾法團塊(Lyman-alpha Blobs; LABs)。萊曼-阿爾法團塊被發現于20年前,其物理尺度為銀河系的幾倍大小,團塊內部的輻射相當于幾十億個太陽。要產生如此高能的輻射需要一個非常強的能量來源,科學家們對該能量來源還存在爭議。

近期,中國科學院紫金山天文臺、美國猶他大學等14家單位組成的國際研究團隊在揭示神秘紫外輻射起源上獲得新發現,為萊曼-阿爾法團塊的能量來源提供了證據。該研究的對象是位于天鶴座方向、現在距離我們185億光年(共動距離)的萊曼-阿爾法團塊LAB6(圖1),其輻射產生于107億年前。研究團隊在LAB6中發現了一些獨特的現象,其中性氫氣體有向團塊中心下落的跡象。下落的氣體具有低金屬豐度,這顯示它們源自星系際介質,而非產星星系本身。

研究團隊利用了歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡(VLT)和聯合阿爾瑪天文臺的阿塔卡瑪大型毫米波亞毫米波干涉陣(ALMA)的觀測數據。從ALMA獲取的中心星系的分子氣體信息,可以用來確定星系的系統速度,而VLT則提供了非常重要的萊曼-阿爾法輻射譜線輪廓的觀測數據。通過對ALMA和VLT觀測的萊曼-阿爾法輻射數據的分析,研究團隊發現從LAB6發出的萊曼-阿爾法輻射波長比預期的更短,從而揭示了下落氣體的存在(圖2)。他們利用模型對光譜數據進行了分析,研究了氣體的運動。

萊曼-阿爾法團塊常與正在形成恒星的大星系相關聯,其恒星形成率可高達每年幾百到幾千個太陽質量。巨大的萊曼-阿爾法輻射暈包圍著這些星系,形成了橫跨幾十萬光年的萊曼-阿爾法團塊,其單位時間輻射的能量相當于上百億個太陽。團塊里氣體的運動可以顯示出星系的狀態。

下落的氣體可以有幾個不同的來源。它可能是星系“噴泉”的第二個階段——星系里的大質量恒星演化到生命末期發生爆發,把氣體往外推,之后部分氣體會回落。它也可能是所謂的冷氣流——星系之間有纖維狀的大量氣體氫漂浮其中,受星系引力作用,它們會被拉向中心的星系,趨向引力勢阱的最底端,構成了下落的氣體。

通過分析萊曼阿爾法發射線的輪廓特征,研究團隊發現氣體里的金屬塵埃含量不大。這表明氣體沒有被恒星形成所產生的重元素污染,也證實了這個萊曼-阿爾法團塊里的下落氣體來自星系際介質。此外,他們的模型還表明下落氣體的量只相當于每年兩個太陽質量,對于觀測到的萊曼-阿爾法輻射光度來說,這太微不足道了。這些發現為產星星系作為萊曼-阿爾法輻射的主要貢獻者提供了有力證據,而下落氣體則塑造了萊曼-阿爾法發射線的光譜輪廓。

該研究結果發表于《自然-天文學》(Nature Astronomy)。該研究得到國家自然科學基金的支持。


圖1:萊曼-阿爾法團塊LAB6周圍天區的三色圖。其中,綠色是來自LAB6的萊曼-阿爾法輻射。LAB6位于天鶴座方向,距離我們185億光年(共動距離),其物理尺度大約是50萬光年。圖中的黃色方框邊長為326萬光年。圖中大部分的星系是前景星系。藍色標識歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡VLT提供的1.258微米J波段數據; 紅色標識歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡VLT提供的2.146微米Ks波段數據; 綠色標識托洛洛山美洲際天文臺CTIO Blanco4米望遠鏡提供的0.411微米波段的萊曼-阿爾法觀測數據。(敖宜平供圖)

圖2: 萊曼-阿爾法譜線和氣體運動關系的示意圖。如果氣體從(星系)中心外流,萊曼-阿爾法輻射波長會變長,向光譜的紅端移動。與此相反,如果氣體是落向中心的,萊曼-阿爾法輻射波長會變短,向光譜的藍端移動。(鄭政供圖)

來源: 紫金山天文臺

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