□ 黃亞芳

宇宙中不一樣的焰火

□ 黃亞芳

焰火，不是人類的專利，也不是唯有地球所有，這不哈勃空間望遠(yuǎn)鏡就捕捉到了來自宇宙的焰火！

圖中的“焰火”其實(shí)是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的第三代廣域相機(jī)（WFC3）拍攝到的一個(gè)星系——Kiso 5639。它一端團(tuán)簇璀璨如炸開的煙花球，另一端狹長(zhǎng)蔓延如煙花掃過的光路，細(xì)細(xì)欣賞好似聽到了焰火劃過夜空，綻放爆發(fā)出的熱鬧聲響。

超鏈接：Kiso 5639檔案

Kiso 5639位于北天的大熊座，距離銀心約為24.5Mpc，動(dòng)力學(xué)質(zhì)量（運(yùn)用動(dòng)力學(xué)方法所求得的天體質(zhì)量）為1.5×108太陽質(zhì)量，光度質(zhì)量（根據(jù)天體質(zhì)量和光度的關(guān)系所估計(jì)出的質(zhì)量）約為5×107太陽質(zhì)量。研究分析表明Kiso 5639呈薄餅狀，且有一個(gè)緩慢旋轉(zhuǎn)的盤，因?yàn)槲覀兛吹降氖瞧鋫?cè)面，而且其中一段有活躍的恒星形成活動(dòng)，因此從我們的角度看來這個(gè)星系的外形既像在宇宙中自由游弋的小蝌蚪，又像是劃過天際的彗星。

圖1 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡第三代廣域相機(jī)（WFC3）拍攝的Kiso 5639多色合成圖像。225納米、336納米波段的紫外輻射顯示為紫色；438納米波段的顯示為藍(lán)色；547納米波段的顯示為綠色；606納米波段的顯示為白色；657納米的氫發(fā)射線（Hα）顯示為橙色；814納米的近紅外輻射顯示為紅色。圖片來源：NASA

因?yàn)橛幸粋€(gè)有恒星形成活動(dòng)活躍的明亮頭部和一個(gè)包含著較弱恒星形成活動(dòng)的暗弱尾部，類似Kiso 5639這種形狀的星系也被稱為蝌蚪狀星系，根據(jù)哈勃分類屬于不規(guī)則星系。這類星系在早期宇宙中比較常見，在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的超深空觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的所有星系中能夠占到10%。通常此類星系都是年輕星系的代名詞，包含有異?；钴S的恒星形成活動(dòng)，因此Kiso 5639對(duì)天文學(xué)家來說是非常難得的觀測(cè)樣本。

圖2 哈勃分類是著名天文學(xué)家愛德溫?哈勃對(duì)星系所做的分類，他把星系分為橢圓星系、旋渦星系和不規(guī)則星系。每種基本結(jié)構(gòu)還可依照這一群中形狀的差異予以細(xì)分。

圖3 Kiso 5639 星系在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡第三代廣域相機(jī)不同濾光波段下顯示出不同的形態(tài)（天體不同部分輻射出的波長(zhǎng)不同，因此用不同波段觀測(cè)同一天體便可以得到天體內(nèi)部不同部分、不同年齡的結(jié)構(gòu)分布，如Hα波段觀測(cè)明亮部分對(duì)應(yīng)的是具有活躍恒星形成活動(dòng)的區(qū)域）。觀測(cè)分別于2015年2月和7月進(jìn)行，圖中數(shù)字代表觀測(cè)中心波長(zhǎng)（單位：納米）。

圖4 Kiso 5639星系的多色合成圖像（假彩色圖，如圖3所示，觀測(cè)得到的各個(gè)波段的圖像只有某個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)度，對(duì)不同波段賦予不同的顏色，合并后得到的便是天體的假彩色圖像，以便區(qū)分觀察天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形輪廓等）。圖中F657N波段用紅色顯示、F547N波段用綠色顯示、F438W波段用藍(lán)色顯示。從此圖中可以看出該星系在紅色（Hα）波段顯示出突出的纖維狀結(jié)構(gòu)，勾勒出整個(gè)星系尤其是明亮頭部的邊緣輪廓，說明星系周邊具有活躍的恒星形成活動(dòng)。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡利用其裝載的第三代廣域相機(jī)對(duì)Kiso 5639星系從UV波段到I波段外加Hα連續(xù)波段都進(jìn)行了大視角高分辨率的觀測(cè)，為天文學(xué)家提供了寶貴的數(shù)據(jù)。紐約州瓦薩學(xué)院黛布拉?厄爾默格林（Debra Elmegreen）帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，對(duì)該星系進(jìn)行了系統(tǒng)、詳盡的研究分析（相關(guān)論文“Hubble Space Telescope Observations of Accretion-Induced Star Formation in the Tadpole Galaxy Kiso 5639”發(fā)表在《天體物理學(xué)報(bào)》上）。

圖5 Kiso 5639星系在Hα波段（F657N）的假彩色圖像。此圖像進(jìn)行了平滑處理，以便模糊其周圍的精細(xì)結(jié)構(gòu)，突出內(nèi)部的明亮區(qū)域（Hα發(fā)射集中區(qū)域），由此得到具有劇烈恒星形成活動(dòng)的區(qū)域。

圖6 Kiso 5639星系頭部部分的假彩色圖像。圖中F336W波段用藍(lán)色顯示、F547M波段用綠色顯示、F814W用紅色顯示。中心最亮、最白的區(qū)域?qū)?yīng)的便是頭部中最年輕、質(zhì)量最大的部分。

圖7 Kiso 5639星系頭部部分的假彩色圖像。圖中F225W波段用紫色顯示，F(xiàn)547M波段用綠色顯示，Hα發(fā)射集中區(qū)域用紅色顯示，此圖清晰地展示出星系頭部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，包含有多簇纖維狀發(fā)射和多個(gè)貫穿性孔洞，天文學(xué)家對(duì)其分析可以推測(cè)其中的星暴活動(dòng)。

圖8 通過對(duì)以上的圖像和其中的光譜強(qiáng)度計(jì)算分析，得到Kiso 5639星系中的5個(gè)主要的星團(tuán)聚集區(qū)域（a-e）和4個(gè)分布在其間的區(qū)域（f、g、h、i）（背景圖為F438W波段圖像）。通過對(duì)高精度圖像的分析，頭部的a區(qū)域中找到21個(gè)星團(tuán)，在其余四個(gè)處于尾部的聚集區(qū)域（b、c、d、e）中找到40個(gè)星團(tuán)，通過計(jì)算得到這61個(gè)星團(tuán)的年齡和質(zhì)量，分析發(fā)現(xiàn)處在頭部的21個(gè)星團(tuán)平均年齡約為8×105年，比尾部的星團(tuán)年輕7-12倍；平均質(zhì)量約為1.6×104太陽質(zhì)量，是尾部星團(tuán)平均質(zhì)量的3-6倍。由此可見，星系中主要的恒星形成活動(dòng)、年輕星團(tuán)和大質(zhì)量星主要集中在頭部區(qū)域。而對(duì)應(yīng)其間的四個(gè)區(qū)域（f、g、h、i），則是星系中最年老星團(tuán)的所在位置。

圖9 通過對(duì)以上的圖像計(jì)算分析，研究人員得到了Kiso 5639星系外圍區(qū)域中10個(gè)具有較強(qiáng)發(fā)射的區(qū)域（背景圖為F438W波段觀測(cè)圖像），發(fā)現(xiàn)星系中的恒星形成活動(dòng)對(duì)星系周圍的區(qū)域也產(chǎn)生了影響。

圖10 星系頭部的Hα波段圖像，為了對(duì)其中的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，此圖對(duì)觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行了增強(qiáng)處理，圖中標(biāo)出了10個(gè)孔洞區(qū)域，展示出了其中的星暴活動(dòng)。

分析研究顯示，僅該星系頭部約830pc直徑范圍內(nèi)就有21個(gè)包含有活躍恒星形成活動(dòng)的年輕星團(tuán)，平均質(zhì)量為2×104太陽質(zhì)量，而年老的和一些低質(zhì)量的星團(tuán)則分布在尾部的其他四個(gè)區(qū)域。而且通過光譜計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，頭部的星暴區(qū)域金屬豐度只有其他部分的40%。據(jù)此天文學(xué)家們討論分析得到以下結(jié)論。

星系頭部氣體（明亮部分）中金屬含量低（天文學(xué)稱為“金屬”，實(shí)際上指除氫氦外的一切元素），也就是說，其中包含重元素，比如碳和氧，比星系其余部分的含量少。恒星主要由氫和氦組成，但還含有或多或少的重元素。隨著恒星老去死亡，其制造的重元素將釋放到星際空間，使周圍氣體的重元素含量提高。目前觀測(cè)到的現(xiàn)象意味著，這很可能是單一的、主要由氫構(gòu)成的氣體撞入了該星系頭部。因?yàn)樾请H氣體基本由富含原始?xì)涞臍怏w組成，否則的話，星暴區(qū)域（因?yàn)榇罅康某滦潜l(fā)）重元素含量理應(yīng)比其余區(qū)域高。

星系頭部有大規(guī)模的恒星形成區(qū)——在星系頭部的恒星孕育區(qū)有幾十個(gè)年輕星團(tuán)。這些星團(tuán)的年齡甚至小于100萬年，而質(zhì)量約為星系其他區(qū)域的3-6倍。星系的其余區(qū)域也有恒星誕生現(xiàn)象，但規(guī)模小得多，而那里的星團(tuán)年齡在數(shù)百萬到幾十億年之間。就一個(gè)小型星系而言，該星系頭部的恒星形成率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同類星系，由此推測(cè)是貧金屬氣體的持續(xù)吸積過程觸發(fā)了其中的星暴現(xiàn)象。

另外，星系頭部存在的多個(gè)巨大“孔洞”，就像禮花在空中綻放出的效果，這實(shí)際上是其中的多個(gè)超新星爆發(fā)在稀薄的超熱氣體中雕刻出來的形態(tài)。

Kiso 5639離我們約8000萬光年，需要十億年計(jì)的時(shí)間發(fā)展成長(zhǎng)。它漂泊在宇宙的一片孤立“沙漠”中，而那里缺少氣體。那么，到底是什么點(diǎn)燃了這個(gè)死水般的星系，使得它劇烈地孕育恒星呢？

根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的計(jì)算機(jī)模擬，大約在不到100萬年之前，這個(gè)星系的頭部突然撞上了一條星系際氣體束，大團(tuán)物質(zhì)從氣體纖維束中落入星系，點(diǎn)燃了“星星”之火。預(yù)期在未來，星系的其他部分將加入這場(chǎng)恒星煙花秀。隨著星系的旋轉(zhuǎn)，Kiso 5639的其余部分將浸泡到氣體束中，獲得新氣體注入，從而點(diǎn)燃另一波星暴焰火。

（責(zé)任編輯 馮翀）