ZKX's LAB

科学家发现星系间的桥梁,接近光速的电子,建起了一座射电桥

2020-09-03新闻6

在宇宙中,虽然各个天体之间的距离都非常遥远,但它们之间的碰撞仍然是在所难免的。

近到太阳系内,经常有小天体会撞击行星;远到其他星系之中,黑洞、中子星等致密星在引力的作用下碰撞、合并;甚至再夸张一点,连拥有着数千亿颗恒星的星系之间,也会发生碰撞。

以我们的银河系为例,在大约一百亿年的历史中,它和许多卫星星系发生过碰撞,或者说是单方面的吞并过程。不过,在30-40亿年后,有一个旗鼓相当甚至更巨大的星系——仙女座大星系将会和银河系发生一次史诗级的大碰撞。没有人知道两个庞大的星系会以怎样的形式融合在一起,最好的研究方式,莫过于对其他星系之间的合并进行观测,那可能就是我们将要面对的未来。

在大约30亿光年之外,就正在上演这一幕壮观的画面。Abell 1758是一个星系团,包含着4个星系,它们分别两两成团,互相靠近。其中,北方的一个被命名为Abell 1758 N,而南方的星系团则被命名为Abell 1758 S。据观测,双方已经进入到合并的前夕。

2019年的时候,NASA利用钱德拉X射线望远镜对Abell 1758进行了观测,发现Abell 1758 N的两个星系已经在3-4亿年前就已经完全撞在了一起,并且由于惯性的作用继续前进。不过,它们不会“擦肩而过”,在引力的作用下,它们还会重新靠拢,最终融合在一起。而南方的Abell 1758 S,则正在准备第一次相撞的路上。

值得注意的是,在这两对正在碰撞的星系组合中,科学家们都发现了无线电发射光环。在此之前,科学家们就在Abell 0399 和 Abell 0401两个星系团中发现了这种无线电光环,而Abell 1758是第二次被发现了这种结构,在两个星系之间搭建起了一条低频电磁波的“桥梁”。据科学家推测,这种光环是星系在合并过程中导致电子加速而形成的,这也从侧面印证了星系的磁场。在Abell 1758中,相距600万光年的电子们加速着相对飞行,然后撞在了一起,砰,光环就形成了。

(图片说明:LOFAR拍摄的Abell 1758)

为了研究这种射电桥的性质,荷兰莱顿天文台的Andrea Botteon带领着他的团队,利用先进的国际低频阵列射电望远镜(LOFAR)对Abell 1758进行了观测。正是利用LOFAR强大的观测能力,他们才在144兆赫的频段下发现了Abell 1758 N和Abell 1758 S之间的射电桥。

在发表于《英国皇家天文学会月刊》上的论文中,他们指出:“我们现在已经确定了这两个系统之间确实存在巨大的射电桥,而此前的研究一直处于初步提出的阶段。这是迄今为止第二个在星系团中被发现的大尺度射电桥,它在LOFAR144兆赫的图像中可以看得非常清晰,在553兆赫的图像中也能初见端倪。”

科学家们相信,这就是星系磁场所造成的结果,巨大的磁场起到了同步加速器的作用,电子在这里被加速到了相对论级别的速度,进而产生了低频的射电辐射,被我们观测到。

(图片说明:科学家分别利用钱德拉X射线望远镜和LOFAR对abell 1758拍摄的画面)

除此之外,还有一些人认为这些电子是通过费米加速机制才获得这样惊人的速度的。所谓的费米加速,指的是星际气体的湍动导致的磁场流动给电子提供了加速的动力。当这样的动力足够强大,电子就会达到相对论速度,从而形成射电桥。而这样的湍动,对于两个正在合并的星系团来说,根本就不在话下,二者产生的湍流和冲击波足以给电子加速到这样的速度。

Botteon的团队也认真考虑了这种可能,并且认为:如果这里的几个星系之间的确有引力的相互作用,那么产生费米加速的可能性将会非常高。同时,他们还提供了另外两个证据,可以有力地证明这一点。

根据去年的一项发现,LOFAR在对一组质量较低的星系合并画面进行了拍摄和研究,结果只在其中一个星系周围发现了射电光环,而并没有出现射电桥的迹象。

在利用LOFAR观测的同时,科学家还利用NASA的钱德拉X射线望远镜对它进行了观测,结果显示,射电桥在X射线波段的表现和利用费米加速机制预言的情况高度一致。

此外,研究人员在对Abell 0399 和 Abell 0401的合并进行分析后认为,仅仅依靠磁场,是不足以覆盖如此宽广的区域的。同时,利用计算机的模拟,他们也发现了冲击波所产生的加速效果和LOFAR的观测数据相一致。

因此,至少电子不是单纯由磁场来加速的。也许二者兼而有之,磁场的确可以在星系之间数百万光年的范围内发挥作用,但是也离不开冲击波和湍流的推波助澜,二者合力建立起了这样的射电桥。

Botteon等人在论文中也指出:“到目前为止,我们还只在两个星系团中发现了这样的射电桥,它们是目前我们在宇宙中发现最巨大的结构之一,很可能诞生于星系团内物质在合并初期所形成的湍流和冲击波,最终在星系团之间释放出了射电波和X射线。”

星系的合并是宇宙中最激烈的事件之一,其持续的时间长达数亿年之久,因此我们现在不可能见证一个完整的合并过程,只能通过观测到不同阶段的合并事件来将这个过程串联在一起。在这个过程中,势必会出现许多人类还不知道的现象,这也是宇宙给我们上的最生动的一节课。星系合并中有许多神奇的现象等着我们去发现和研究,至于最终能够获得多少有用的信息,那就看人类自己的了。

#科学

随机阅读

qrcode
访问手机版