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星系際飆狂風,一共發生三次的「星暴增」證據全都寫在星系際「超級風」中,深入觀測細微結構可以看見星系併合歷史

中研院天文所研究技師大山陽一參與使用Subaru望遠鏡研究星系際超級風細部結構,大山陽一表示:

「自從15年前加入Subaru團隊開始,我一直在研究這個總是讓人驚奇的 NGC6240星系,我和Yoshida教授的合作算來已有15年光陰,當時所研究的就是NGC6240的星系際超級風的活動,最初我有興趣探討的是位於 「超級風星雲」中心的很小一部分而已,而現在,依舊是藉由Subaru望遠鏡,只不過望遠鏡現在提供的是前所未有的星雲精細圖像來協助我們的研究,這讓天文學家有能力在非常大的尺度上研究同一現象。毫無疑問,這個星系裡有這麼壯觀的現象,必然會很顯著地左右星系的演化,這次關於這些星系際超級風活動的最新研究,我很高興有機會再次加入。感謝 Subaru的卓越性能。 」

英文新聞參考原連結網址:http://subarutelescope.org/Pressrelease/2016/02/03/index.html

  由廣島大學主導的研究團隊,近日首度呈現了一個外流自「星暴增星系」NGC6240的大質量電離氣體細部結構(圖1),團隊成功觀測所使用的儀器--Suprime-Cam 超廣角相機,是架設在夏威夷毛納基峰上口徑8.2米的Subaru望遠鏡。


1,Subaru 超廣角相機拍攝到的NGC6240。此為假色圖。圖中之藍、綠、紅色各代表B波段、R波段和電離氫原子(Hα)發射線。圖中以紅色顯示星系吹出的巨大電離氣體。

 如圖所示,該電離氣體延伸的尺度,長達30萬光年,星系際超級強風(superwind)將它由該星系中心吹出。星系中心則是因為密集恆星形成活動(Starburst:「星暴增」)的緣故,驅動了超級強風。天文學家這次是藉Subaru的集光力和高空間解析力,才得以首度詳盡研究已知的宇宙中最大超級強風之其中一個,以及其所呈現的複雜結構。事實上,為這種超級強風提供驅動力的,不外乎恆星之生,以及恆星之死。

  中研院天文所研究技師大山陽一,參與該研究並使用Subaru望遠鏡研究星系際超級風細部結構,他表示:「自從15年前加入Subaru團隊開始,我一直在研究這個總是讓人驚奇的 NGC6240星系,我和Yoshida教授的合作算來已有15年光陰,當時所研究的就是NGC6240的星系際超級風的活動,最初我有興趣探討的是位於 「超級風星雲」中心的很小一部分而已,而現在,依舊是藉由Subaru望遠鏡,只不過望遠鏡現在提供的是前所未有的星雲精細圖像來協助我們的研究,這讓天文學家有能力在非常大的尺度上研究同一現象。毫無疑問,這個星系裡有這麼壯觀的現象,必然會很顯著地左右星系的演化,這次關於這些星系際超級風活動的最新研究,我很高興有機會再次加入。感謝Subaru的卓越性能。 」

 「星暴增」這三個字,是天文學家用來代表大規模且密集的恆星形成活 動。有「星暴增」現象正在發生的星系也簡稱為「星暴增星系」(Starburst galaxy)。以恆星形成率(SFR)而言,銀河系的SFR大約每年1個太陽質量,星暴增星系的SFR則達到10。有時速率甚至高達每年100甚至 1000個太陽質量。

 「星暴增」是星系演化過程中非常重要之現象。當這種現象出現時,密集之恆星形成會迅速消耗星系裡的星際氣體。更進一 步,還會令星系裡大部分氣體被吹出,這其實是幾方面因素共同造成之結果,包括來自許多新生大質量恆星的強紫外線輻射壓、氣體加熱、連續超新星爆發之衝壓力 等。這個尺度達星系等級帶有高能的風也稱為「星系風」(galactic wind)或星系際超級風(superwind)。因為此超級強風從星系盤面將星際氣體搬運至星系外圍的效率極高,所以星系喪失氣體速度更快,還會造成恆 星形成突然停止。

 因為本來在星系盤面上的金屬豐度較高之氣體向外吹出的緣故,還「汙染」了星系暈和星系際空間。結果,星暴增和受星暴增驅動向外吹出的星系際超級強風,兩者都大幅影響了星系演化及星系外氣體。

  大規模星暴增現象發生的機制,目前有幾個相當有說服力的說法,其中之一是兩個星系間的對撞和併合。當兩個氣體含量豐富的巨大螺旋星系併合時,併合過程引起 的引力微擾干擾了恆星軌道,星系盤中的氣體因此損失角動量,落入了併合事件的重力中心。這造成了巨大的氣體聚集,形成星暴增的節點(starburst knots)。星暴增帶來大量塵埃,且塵埃吸收了新生大質量恆星的紫外光,發出強烈紅外光。

 距離銀河系約3.5億光年的NGC6240,是一個相對鄰近的著名星暴星系,其SFR估計約為銀河系25 - 80倍(註1)。其特有的擾動形態(圖1)顯示此星系正經歷和兩個螺旋星系的合併。NGC6240由於星系合併引起巨大星暴增,以及大量隨之加熱的塵埃, 而發出明亮的紅外光,紅外光度達到將近太陽之一兆倍。

 NGC6240是非常重要的天體,可以用來研究星系合併、星暴增活動、活躍星系核等三種現象之物理及三者間演化關係為何。在距離太陽系5億光年內,NGC6240是幾個最受廣泛研究的星暴星系之一。

  為試圖理解NGC6240星暴增發生的歷史等重要線索,研究小組需要一張廣角照片,所以他們使用架設於Subaru望遠鏡上的一座超廣角光學相機 Suprime-Cam做觀測,它可顯示該星系中因星暴增而吹出的超級風之細部結構。觀察該星系時,因搭配使用了特殊波段的濾鏡,可傳輸出周圍電離氫原子 (稱為Hα發射線)產生的發射譜線,以便研究與超級風有關的電離氣體之空間結構。

 這個空前深入到NGC6240內部的觀察,結果顯示出一個複雜巨大的電離氣體星雲(“Hα星雲”)環繞在NGC6240周圍(圖2)。星雲延伸長度30萬光年,是由複雜的絲狀、迴圈狀、團塊狀結構組成(圖3)。科學家先前已知一個巨大電離氣體星雲從NGC6240周圍向外展延,但廣島大學團隊深入的觀察遠超過以往,因此首次能詳細觀察星雲非常黯淡的細部結構,結果也首度偵測到,位於星系的西北方(圖3右圖之右上角)和東南方(圖3右圖左下)有大型的「破碎泡泡」,這些特徵是來自一個沿著星系主要盤面短軸(垂直)吹出的高能量雙極超級強風。

圖2,NGC 6240巨大的電離氣體Hα星雲。 將Hα圖像中的恆星連續光譜減掉而留下純粹的Hα發射譜線,呈現出絲狀大尺度結構,延展達數十萬光年。

圖3,左圖同圖二,右側以草圖示意NGC 6240 Hα星雲。

研究小組經詳細資料分析後發現,NGC6240曾至少經歷過三次規模猛烈的星暴增,每次星暴增都吹送出一個高能的超級風。超級風形塑出Hα星雲裡的複雜 結構。其中最早的一次星暴增發生時間大約距今八千萬年。由於一般相信NGC6240星系合併發生的過程大約是在距今十億年前,所以,本項研究顯示出,巨大 星暴增是在合併的後期突然達到活動高峰。因此,這次的發現對星系演化及星系之間併合的關係等研究帶來豐富新資訊。

 這項研究將發表在由美國天文學會AAS出版的《天文物理學期刊》(Astrophysical Journal)(Yoshida et al., 2016 "Giant H-alpha Nebula Surrounding the Starburst Merger NGC 6240")。研究經費贊助機構除日本JSPS及MEXT以外,還有中華民國(臺灣)科技部,編號104-2112-M-001- 034-。

研究團隊成員有:

  • Michitoshi Yoshida (Hiroshima University, Japan)
  • Masafumi Yagi (National Astronomical Observatory of Japan / Hosei University, Japan)
  • Youichi Ohyama (Academia Sinica, Institute of Astronomy and Astrophysics, Taiwan)
  • Yutaka Komiyama (National Astronomical Observatory of Japan / The Graduate University for
  • Advanced Studies, Japan)
  • Nobunari Kashikawa (National Astronomical Observatory of Japan / The Graduate University for
  • Advanced Studies, Japan)
  • Hisashi Tanaka (Hiroshima University, Japan)
  • Sadanori Okamura (Hosei University, Japan)
註1: 對NGC6240不同恆星形成率的估計方法影響到這個估計數值會落在哪個區間。

(周美吟博士審校,黃珞文譯)


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