圖:NASA, ESA and J. Olmsted (STScI)

藉由使用美國太空總署(NASA)哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope),天文學家目睹了迄今宇宙最強大的能量外流(outflow)。能量來自類星體(quasar),並如同海嘯般,對這些類星體存在的星系造成嚴重的破壞。

類星體風暴

類星體是極度遙遠的天體,會放出極大量的能量。類星體包含超大質量黑洞(supermassive black hole),落入這些黑洞中的物質比宿主星系中的數千億顆恆星還要明亮 1000 倍。

當黑洞吞噬物質時,熱氣會環繞黑洞並釋放出強烈的輻射,進而創造出類星體。由黑洞附近極熱的輻射壓所產生的風,將物質從星系中心噴出。外流的物質被加速到驚人的速度,約為光速的百分之幾。

維吉尼亞理工大學(Virginia Tech)研究員納胡·阿拉夫教授(Nahum Arav)解釋:「沒有其他的現象會攜帶更多的力學能。在 1000 萬年的歲月中,這些外流產生的能量是伽瑪射線暴(gamma-ray burst)的 100 萬倍。這些風每年都在推動數百倍太陽質量(solar mass)的物質。這些外流攜帶的力學能總量比整個銀河系的亮度高數百倍。」

類星體的風橫掃過整個星系盤。可能形成新恆星的物質被猛烈地從星系中被掃出,導致恆星誕生停止。輻射將氣體及星塵推向比科學家先前認為的距離更遠處,造成了整個星系的事件。

隨著這波宇宙海嘯猛烈撞擊星際物質,在衝擊波前端的溫度飆升至數十億度,在此溫度下多數物質會在 X 射線波段發出強光,最後甚至造成整個光譜範圍內都發光。若人類有機會目睹,將能欣賞到一場精采的煙火表演。阿拉夫教授表示:「首先會先有許多 X 射線及伽馬射線的輻射,接著就會往可見光及紅外光的方向滲透。人們會看到一場巨大的燈光秀,彷彿星系中充滿聖誕樹。」

解釋宇宙謎團

多個星系演變史的模擬中指出,這種外流可以解釋一些重要的宇宙謎團,例如為何天文學家在宇宙中觀察到如此少的大型星系,以及為何星系的質量與其中央黑洞的質量之間有關聯。這項研究顯示,如此強大的類星體外流應該在宇宙早期就普遍存在。

哥倫比亞大學(Columbia University)及普林斯頓大學(Princeton University)的著名宇宙學家耶利米·保羅·歐斯垂克教授(Jeremiah P. Ostriker)解釋:「數十年來,理論學家及觀察家已知在廣大星系中,有某種物理過程會阻擋恆星的形成,但是這種過程的性質一直是個謎。將觀察到的外流現象加入至我們的模擬後,就能解決在星系演化史上的這個大問題。」

天文學家研究了 13 個類星體外流,並藉由觀察從發光氣體釋放出的光譜「指紋」,能計算出氣體被類星體風加速的驚人高速。哈伯望遠鏡的紫外線數據顯示,由於氣體在太空中高速運動,這些吸收特徵在光譜中產生位移。這是由於都卜勒效應(Doppler effect)所致,也就是物體的運動會壓縮或伸展光的波長,取決於物體是靠近或遠離。只有哈伯望遠鏡具有對紫外線敏感的特定範圍,能讓天文學家觀測到這樣的現象。

除了測量史上觀察到能量最強的類星體之外,該團隊還發現另一個比以往加速更快的外流現象。在三年之間,其時速約從每小時 7000 萬公里增加到每小時 7400 萬公里。科學家相信加速會隨著時間繼續增加。

馬里蘭州巴爾的摩市的太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute)的傑拉德·克里斯(Gerard Kriss)補充:「哈伯望遠鏡的紫外線觀測讓我們得以追蹤類星體全範圍的能量釋放,從較冷的氣體到高溫且高度離子化的氣體。這些在之前只能經由更為困難的 X 射線觀測獲得。這些強烈的外流也許可以產生新的見解,讓我們了解在超大質量黑洞的成長與其宿主星系整體發展之間的連結。」

參考資料:

  1. Hubble, (2020, March 20). Quasar Tsunamis Rip Across Galaxies. NASA
  2. Arav, N. et al., (2020, March 16). HST/COS Observations of Quasar Outflows in the 500–1050 Å Rest Frame. I. The Most Energetic Outflows in the Universe and Other Discoveries. The Astrophysical Journal. doi.org/10.3847/1538-4365/ab66af
  3. Xu, X. et al., (2020, March 16). HST/COS Observations of Quasar Outflows in the 500–1050 Å Rest Frame. II. The Most Energetic Quasar Outflow Measured to Date. The Astrophysical Journal. doi.org/10.3847/1538-4365/ab596a
  4. Miller, T. R. et al., (2020, March 16). HST/COS Observations of Quasar Outflows in the 500–1050 Å Rest Frame. III. Four Similar Outflows in 2MASS J1051+1247 with Enough Energy to Be Major Contributors to AGN Feedback*. The Astrophysical Journal. doi.org/10.3847/1538-4365/ab5967
  5. Xu, X. et al., (2020, March 16). HST/COS Observations of Quasar Outflows in the 500–1050 Å Rest Frame. IV. The Largest Broad Absorption Line Acceleration. The Astrophysical Journal. doi.org/10.3847/1538-4365/ab4bcb
  6. Miller, T. R. et al., (2020, March 16). HST/COS Observations of Quasar Outflows in the 500–1050 Å Rest Frame. V. Richness of Physical Diagnostics and Ionization Potential-dependent Velocity Shift in PKS J0352-0711*. The Astrophysical Journal. doi.org/10.3847/1538-4365/ab5969
  7. Xu, X. et al., (2020, March 16). HST/COS Observations of Quasar Outflows in the 500–1050 Å Rest Frame. VI. Wide, Energetic Outflows in SDSS J0755+2306. The Astrophysical Journal. doi.org/10.3847/1538-4365/ab5f68
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