21世紀天文望遠鏡系列:揭開暗能量之謎,X射線太空望遠鏡 eROSITA

2019年升空的X射線太空望遠鏡 eROSITA,將花四年的時間完成巡天觀測,為人類提供全新的高能電磁波全天地圖。它將觀測到十萬個星系團和三百萬個活躍星系核,可以幫助科學家檢測宇宙學模型中暗能量的組成。

撰文|徐麗婷

X射線提供人類另一種有別於可見光的視野

X射線的能量遠高於可見光,它所展示的是宇宙中高溫氣體 (超過百萬度) 的活動。X 射線無法穿透地球大氣層,也不是人眼可見的電磁波,所以科學家必需仰賴太空望遠鏡才可以為人類提供宇宙中的高能電磁波視野,包含星系團、黑洞、中子星、和超新星殘骸。

eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array) 是在2019年7月甫升空的X射線太空望遠鏡。這個望遠鏡是由德國-俄國合作發射的太空任務 (Spektrum-Roentgen-Gamma mission) 中的一個重要儀器。eROSITA首先會執行四年的巡天觀測計畫 (all-sky survey),這個計畫將能為科學家提供首次的高能X射線 (2-10 keV) 全天地圖。接下來eROSITA還會再進行3年半的小天區定點觀測 (pointed observations)。

解開暗能量之謎是了解宇宙形成的關鍵

eROSITA最主要的科學目標,是研究宇宙中暗能量 (Dark Energy) 的組成。 未來eROSITA期望達成的觀測目標是:

1.十萬個星系團 (galaxy clusters)。星系團是宇宙中最巨大的重力塌縮天體,它們在宇宙中的形成、演化、和大尺度的密度分佈,與暗物質和暗能量有密切的關係。透過星系團的X 射線觀測結果,科學家可以研究宇宙大尺度結構,並且檢測宇宙學模型中暗能量的組成。

2.三百萬個活躍星系核 (Active Galactic Nuclei)。活躍星系核中央有一個超巨大質量黑洞 (質量是太陽的百萬倍以上), 會發出非常強大的能量 (太陽的千萬倍以上)。而研究這種超巨大黑洞的演化,可以為科學家在宇宙大尺度結構的研究上提供有用的線索。

3.大量觀測銀河星系內的X射線天體,可以幫助科學家更了解各種高能天文物理現象,像是X射線雙星 (X-ray binaries) 和超新星殘骸(supernova remnants)。

eROSITA在2019年10月捕捉到了的它的第一道光,是來自於我們銀河系的鄰居大麥哲倫星雲 (Large Magellanic Cloud)。研究人員不但在前景中看到了銀河系內的活躍恆星,也在背景中看到了過去不曾看到的遙遠活躍星系核。除此之外,科學家也觀測到兩個正在交互作用的遙遠星系團A3391 和 A3395。這個星系團交互系統距離我們8億光年。從X射線的影像中可以清楚看到兩個星系團之間相互作用的高溫氣體橋樑,科學家可以藉此研究大尺度結構形成的動力過程。

eROSITA銀河系的銀暈中發現了巨大氣泡

在eROSITA的第一次巡天觀測中,科學家發現銀河系中有一個大型沙漏狀的結構,稱之為「eROSITA Bubbles」。這個「氣泡」與之前由費米伽瑪射線望遠鏡所發現的「費米氣泡 (Fermi Bubbles)」位置十分類似,但是尺度比費米氣泡巨大許多。這個氣泡裡的高溫氣體 (超過百萬度) ,向銀河系盤面上下兩個方向延展長達約5萬光年的大小,幾乎盤據了整個銀河系。

而巨大氣泡形成的成因,目前有兩種假設:一個可能是過去銀河系中心有過劇烈的活躍星系核活動,現在銀河系沉靜下來了,而氣泡則是過去星系中心激烈活動的遺跡。另一個假設是,銀河系中心可能有10萬顆超新星爆炸, 才有可能造成這麼巨大的氣泡。

銀河系盤面上下兩個由高溫氣體構成的巨大氣泡 (紅色代表能量0.3-0.6 keV,綠色代表0.6-1.0 keV,藍色代表1.0-2.3 keV)。Image by JohannesBuchner - Own work, CC BY-SA 4.0

 

eROSITA 在2020年6月完成了第一次巡天觀測,目前正在進行第二次巡天觀測。科學家在初部的觀測結果中,偵測到超過百萬個X射線天體,這個數量相當於過去60年來觀測到的X射線天體的總數。在這百萬個X射線天體中,有大約80%是活躍星系核,有20%是我們銀河系內日冕活動劇烈的恆星。未來eROSITA科學團隊將持續更新觀測資料。

 

 

參考資料:

  1. https://www.mpe.mpg.de/eROSITA
  2. X-ray scout sees first light
  3. eROSITA finds large-scale bubbles in the halo of the Milky Way
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