「錢德拉」的十大發現

1999年8月26日，「錢德拉」X射線天文台的科學家們舉行新聞發布會，向公眾展示這個新太空望遠鏡拍攝的第一張照片。按照慣例，他們選擇了一個大家喜聞樂見的天體做為拍攝對象——仙后座A（Cas A），一顆大質量恆星發生超新星爆炸後留下的遺迹。「當』錢德拉』發來Cas A的照片，我們本應該裝出驚訝地表情看著屏幕「，「錢德拉」項目科學家Martin Weisskopf（在美國阿拉巴馬州Huntsville市美國宇航局馬歇爾航天飛行中心工作）說，「沒想到我們真的大吃了一驚。在Cas A中心，我們忽然發現了一個從未見過的明亮點源。」這個明亮的天體是一顆中子星——即大質量恆星死後留下的星核。天文學家早就從理論上預測出它的存在。可直到「錢德拉」上天后，我們才看到它。

超新星遺迹仙后座A是「錢德拉」X射線天文台的第一個觀測目標。當天文學家觀看「錢德拉」傳回的圖像時，他們驚奇地在仙后座A中心看到一個點源——一顆中子星（圖中的湖藍色斑點）。它是幾百年前一顆大質量恆星爆炸成為超新星之後留下的緻密星核。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/STScl /CXC/SAO(CASSIOPEIA A); NGST(CHANDRA X-RAY OBSERVATORY)）

在這之後的15年時間裡，「錢德拉」科學組為我們帶來許多同樣令人瞠目結舌的大發現。雖然「錢德拉」不是第一台X射線太空望遠鏡，它卻因為擁有無與倫比的角解析度而表現出眾。它能夠把天空中0.3角秒——與此對應的地面距離為16.7公里——大小的細節看得清清楚楚。

「錢德拉」的銳利目光幫助天文學家看到宇宙中最熾熱的X射線發射源，例如爆發的恆星、活躍黑洞周圍、巨大的星系團、還有新生的恆星。「它使我們看到前所未見的景象，」Weisskopf說。不僅如此，「錢德拉」的高解析度還揭示出許多隱藏在宇宙高能現象背後的秘密，包括超大質量黑洞如何影響星系成長，神秘暗物質有什麼性質，還有超新星遺迹的細節信息。這三大發現，外加其它七個重要發現，構成「錢德拉」的十個最重大天文發現。這些發現代表著這台太空望遠鏡取得的突出成績。不過，「錢德拉」的職業生涯遠未結束，它還會為我們帶來更多新發現。

1. 星系團的成長揭示暗能量的秘密

「錢德拉」協助天文學家研究了許多宇宙奧秘。促使宇宙加速膨脹的神秘力量——暗能量便是其中之一。科學家專門研究了一下暗能量是否影響星系團的形成和演化。2009年，美國馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密松天體物理中心的Alexey Vikhlinin與同事測量了兩個宇宙時期、共86個星系團的質量（其中49個選自近鄰宇宙，另外37個選自55億年前的宇宙）。他們想藉此了解星系團的成長是否依賴於其形成、生長所處的宇宙時期。

為了解星系團的質量和數量如何隨時間變化，天文學家對處於不同宇宙時期的共86個星系團展開研究。上圖展示的星系團（編號Abell 85）便是其中之一。（圖片來源：X-RAY:NASA/CXC/SAO/A. VIKHLININ, ET AL; OPTICAL:SDSS）

瀰漫在星系團內的熾熱氣體發出X射線。通過測量這些氣體的溫度和密度，科學家可以推算出星系團的質量。他們發現在過去50億年時間裡，宇宙結構的生長速度變慢了。天文學家還把這個結果與計算機數值模擬出的宇宙結構形成歷史進行比較，找出能夠解釋觀測的理論模型。Vikhlinin在一次新聞發布會上宣布了他們的發現：「只有包含暗能量的宇宙模型能夠解釋星系團的演化。「

科學家把由此獲得的有關暗能量的知識與從其它研究領域（比如說Ia型超新星和宇宙微波背景輻射）得到的零碎知識匯總起來，便可以了解暗能量在宇宙中所佔的比重是多少，進而獲得它究竟為何物的有益提示。

2. 黑洞「吹」泡泡

在每一個大質量星系的中心都潛伏著一個超大質量黑洞。而每一個星系團有幾百、甚至幾千個星系，質量最大的那個則穩居在星系團的中心。通過研究星系團內發出X射線的高溫氣體，天文學家可以了解那裡發生的劇烈事件及其產生的結構特徵。處於星系團中心的那個星系常常因為黑洞吞噬周圍物質、發出輻射而變得活躍。

科學家們發現，星系團里質量最大的那個星系，其黑洞的影響範圍不僅限於宿主星系，還波及整個星系團。在活躍星系內部，從緊鄰黑洞的區域發出的高能輻射和粒子流猛烈撞擊黑洞附近的物質，並且驅走熾熱氣體。「你很容易就能看到黑洞都幹了什麼，」美國加利福尼亞州斯坦福大學的Julie Hlavacek-Larrondo說。「如果計算一下推開氣體所需要的能量，你會發現這能量大得驚人。你就見識到黑洞的威力到底有多大了。「

先前的X射線衛星曾經在英仙座A（位於英仙星系團中心的活躍星系）內部看到孔穴的跡象，「錢德拉」憑藉其銳利目光在更多的星系團內部發現了這一結構特徵。以吹出孔穴的黑洞為中心，這些結構體延伸到3萬至30萬光年遠的地方。天文學家相信「這些泡泡引起某種激波。我們看到激波在星系際介質中振蕩所形成的美麗波紋，」Hlavacek-Larrondo說。英仙座A展示的激波是天文學家見過的所有激波中最美麗的。在對所有例子進行分析之後，科學家們發現黑洞能生成比自身大至少10億倍的結構。它把大量能量釋放到周圍環境中，加熱氣體並把它們驅走——因此妨礙了新恆星的形成和星系的成長。

在「錢德拉」的幫助下，天文學家已經發現了大約上百個超大質量黑洞驅走氣體、並在宿主星系內產生孔穴的例子。這些長度達到成百上千光年的泡泡還會引起激波。上圖是在X射線波段看到的英仙座A的波紋。（圖片來源：NASA/CXCIOA/A.FABIAN, ET AL）

3. 巨大星系團的合併

如果在可見光波段觀察星系團，你會看見由幾百個、甚至幾千個星系——每一個都擁有數十億顆恆星——構成的巨大聚合體。但你如果在X射線波段觀察它，你便能看到在星系之間瀰漫著大量的熾熱氣體，因為這些高溫氣體能發出高能輻射。馬里蘭大學帕克分校的Richard Mushotzky告訴我們，實際上，「星系團內氣體的總質量大概是星系總質量的7倍」。即便如此，可見物質也只佔了星系團總質量的一小部分而已。另一種神秘物質——暗物質——才是星系團質量的主要貢獻者。通過研究由幾個小星系團碰撞、合併生成的大質量星系團，我們可以「看」到遍布星系團內部的神秘物質。

最出名的一個星系團碰撞的例子便是Bullet星系團（編號1E 0657-55.8）。當兩個星系團合併時，它們的氣體也會發生電磁相互作用。氣體因為損失能量而運動速度減慢，落後於星系團內的星系和暗物質。

天文學家將「錢德拉」的觀測數據與可見光波段的引力透鏡觀測做比較。從地球上看去，Bullet星系團的巨大質量彎折了背景星系發出的光線。Harvey Tananbaum一直使用「錢德拉」進行觀測，直至今年早些時候。他說「背景星系的影像因為引力透鏡現象而被扭曲、拉長。你事先無法得知它們的形狀。不過從統計上講，你可以對大批量樣本取平均，然後再反推出物質的分布。」

美國馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密松天體物理中心的Maxim Markevitch與同事比較了兩種物質的分布。他們發現，輻射X射線的熾熱氣體的分布與星系團內絕大部分質量的分布並不一致。「這種分布上的偏差就是直接證據，說明主導星系團總質量的並非可見物質，而是暗物質。」Bullet星系團是另一個證明暗物質確實存在的證據。在星系團合併時，暗物質之間僅有微弱的相互作用（暗物質團塊徑直穿過彼此）。根據這一點，研究團隊可以限定暗物質的屬性。

由「錢德拉」X射線天文台拍攝的Bullet星系團（編號1E 0657-55.8）內熾熱氣體的分布（圖中粉紅色區域）。科學家根據引力透鏡現象推算出星系團內的質量分布（藍色區域）。可見物質聚集的地方與星系團內質量峰值的所在位置並不吻合，由此可知，星系團由看不見的物質主導著。（圖片來源：X-RAY: NASA/CXC/CFA/M. MARKEVITCH, ET AL.;OPTICAL:NASA/STScl;MAGELLAN/UNIV. OF ARIZONA/D. CLOWE, ET AL.; LENSING MAP:NASA/STScl;ESO WFI/MAGELLAN/UNIV. OF ARIZONA/D. CLOWE, ET AL.）

4. 超大質量雙黑洞系統

2001年，正當天文學家用「錢德拉」研究星系NGC 6240時，他們在其中心發現了兩個活躍的超大質量黑洞。這是科學家首次發現超大質量雙黑洞系統。自那以後，天文學家又陸續發現了幾十個這樣的系統。

2001年，天文學家在一個星系的中心發現了第一個超大質量雙黑洞系統（編號NGC 6240）。他們認為此類系統是兩個星系——彼此各帶一個黑洞——合併的結果。（圖片來源：NASA/CXC/S. KOMOSSA, ET AL.）

距離我們最近的雙黑洞系統位於1億6千萬光年遠的旋渦星系NGC 3393。兩個黑洞成員彼此相距490光年遠。

雙黑洞系統的存在使天文學家更加相信星系合併能夠形成更大的結構。在星系合併時，其中心的超大質量黑洞最後也會合而為一。根據目前已知的例子，黑洞的合併需要耗費數百萬年時間。當它們彼此靠近時，它們會釋放出引力輻射。天文學家希望未來相關的探測項目能夠找到此類引力波存在的直接證據。

5. 銀心超大質量黑洞的變化

「錢德拉」僅僅開工幾個月便幫助科學家首次確認了銀心超大質量黑洞發出的X射線輻射。不僅如此，「錢德拉」還看到了令人驚奇的景象：這個黑洞（也被稱為人馬座A）出現X射線耀斑。現如今，科學家已經知道此類耀斑平均每天發生一次。

當「錢德拉」用銀河系中心「練手」時，天文學家確認了銀心的超大質量黑洞。此外，他們還監測到那裡平均每天發生一次X射線耀斑。耀斑爆發的原因目前仍不清楚。（圖片來源：NASA/CXC/MIT/F. K. BAGANOFF, ET AL./E. SLAWIK）

從首次看到X射線耀斑算起，已經過去14年了，科學家仍然不知道這些耀斑是怎麼產生的。「這些耀斑可能是小規模磁場重聯導致的，與我們在太陽表面看到的情況類似，」美國伊利諾伊州埃文斯頓市西北大學的Daryl Haggard說，「另一種解釋是小行星被黑洞分解，產生了耀斑。它可以解釋耀斑的數量。這兩種理論都能很好地解釋觀測結果。但它們是完全不同的理論，我們目前無法區分到底哪一個才是產生耀斑的根本原因。「

就在「錢德拉」觀測人馬座A的幾年時間裡，天文學家還偵測到許多其它驚奇事件。他們看到了在大規模輻射爆發之後幾百年才傳到地球的微弱光脈衝信號。其中一部分原始光波在到達地球之前，曾在人馬座A附近的遺迹中來回反彈。因此，這些信號傳到地球的旅途更加漫長，我們需要等待更長時間才能看到它們。在過去幾年裡看到的光「回波「告訴我們，銀心的黑洞在過去幾百年里一直積極地吞噬著周圍的物質，因而源源不斷地發出輻射。

「銀心蘊藏著極其豐富、有趣的信息，」Haggard說，「每次在X射線波段觀察那裡，你都會有所發現。」

6. 目擊年輕超新星遺迹的演化

「錢德拉」自1999年10月開始，一直追蹤著超新星1987（發生在1987年2月的一次恆星爆炸）遺迹的演化。這個超新星爆發位於大麥哲倫雲——銀河系的一個衛星星系。它是最近幾百年里離我們最近的超新星爆發。它為天文學家提供了一個天然實驗室，用來研究恆星爆炸留下的遺迹如何變化、如何影響周圍瀰漫的星際介質。

從1999年10月起，美國賓西法尼亞州立大學的David Burrows和同事大約每年觀測SN 1987A兩次。「在爆炸發生的地方，我們發現爆發引發的激波加熱了』內圈』的冷氣體，」他說。1996年，哈勃望遠鏡的觀測指出「內圈」物質有結團現象。「錢德拉」的觀測揭示出一部分氣體被加熱到幾百萬度高溫——足以發出X射線輻射。「從我們開始觀測以來，這個X射線源的亮度增加了近50倍。我們還測量到X射線輻射隨著激波在星際介質中的傳播而發生膨脹。」Burrows說。

最近幾百年里，距離地球最近的超新星爆發是超新星1987 A。在「錢德拉」上天后不久，科學家便用它觀測這個天然天文實驗室是如何演化的。現在，他們已經追蹤到當年恆星爆炸引起的激波怎樣加熱了周圍的物質。（圖 片來源：KARI FRANK AND DAVID BURROWS, PENN STATE）

「從激波波前發出的X射線可能會向我們揭示出前所未見的物質。這是將來最令人好奇的事了，」他補充說到。「這個』環』可能只是一個延展的盤狀結構的內邊界。」天文學家將會繼續監測SN 1987A，看看它接下去是繼續變亮還是變暗。如果變亮，那個環就是盤的邊界；如果變暗，那它就的的確確是一個環了。

7. 超新星遺迹的內部結構

大質量恆星爆炸時，既熾熱又混亂。即便如此，天文學家也曾認為爆炸是對稱的。「『錢德拉』的高解析度讓我們見識到恆星爆炸是多麼地複雜和不均勻，」美國斯坦福大學的Julie Hlavacek-Larrondo說。「它絕不僅僅是一個球體發生爆炸那麼簡單；其內部存在著許多結構。」

發生爆炸的恆星——也叫超新星——非常熾熱，溫度高到足以使較重的元素熔化。爆炸把富含多種元素的熾熱物質拋灑到星際空間，形成超新星遺迹。這個多姿多彩的帷幕狀結構體展示了爆炸的動力學特徵。上百萬度高溫的熾熱氣體——比如說與超新星有關的那些氣體——發出X射線輻射。每種化學元素被加熱後都會在特定波長（或說顏色）發出輻射。天文學家收集超新星遺迹的輻射，並把它按波長進行分解，由此確定哪些元素髮出了輻射。在「錢德拉」的協助下，科學家繪出了氧、硅、硫、鎂、鐵及其它元素在超新星遺迹中的分布。

結果表明，這些元素並不是均勻分布在遺迹中。舉例來說，超新星遺迹仙后座A向兩側伸展的翼狀結構便富含硅。

除此之外，天文學家還仔細觀察了超新星物質與瀰漫的星際介質的相互作用。當氣體被垂死恆星拋出，並與周圍的物質發生碰撞時，物質受熱升溫，發出X射線輻射。「錢德拉」的高解析度使科學家看到撞擊引起的激波波前。天文學家在第谷超新星遺迹中發現一些條紋。這些條紋出現在向外擴展的激波附近，是電子在圍著糾結纏繞的磁力線做迴旋運動時產生的。

「錢德拉」憑藉其高解析度展示出恆星爆炸遺留下的、前所未見的細節。天文學家在第谷超新星遺迹中發現了纏繞磁場造成的條紋（右側兩箭頭所指），還看到伴星因為阻礙超新星爆發留下的痕迹（左側箭頭所指）。（圖片來源：NASA/CXC/CHINESE ACADEMY OF SCIENCE/F. LU, ET AL.）

有時候，為了回溯超新星遺迹的膨脹過程，或者看看爆炸的恆星是否有伴星供其侵蝕，天文學家會把同一超新星遺迹的各種觀測結果綜合起來加以研究。對第谷超新星遺迹進行此類研究時，科學家們發現了伴星的「魅影」。在恆星爆炸時，伴星因為阻擋了一部分物質運動而在遺迹中留下了痕迹。這些觀測為科學家提供了恆星死亡過程的細節，幫助他們重構恆星演化的圖景。

8.多產的活動星系核

1962年，天文學家在全天範圍內探測到一個均勻分布的X射線信號。他們當時認為這個信號要麼來自宇宙中瀰漫的熱氣體，要麼是眾多點源產生的集體效果。數十年的X射線觀測分辨出越來越多的高能發射源，實際上完全排除了這個瀰漫的X射線背景輻射來自熱氣體的可能性。儘管如此，已知的X射線發射源（比如說發出X射線輻射的活躍星系中心區域）也只能解釋探測到的信號的20%。

接下來，明察秋毫的「錢德拉」出場了。1999年底，馬里蘭大學的Richard Mushotzky與同事對著一個本該是星系團的位置拍照。（之前的觀測指出那裡有一個星系團）。「但是，你瞧，那裡根本沒有星系團，「他說。「只有一大堆點源。我們後來發現它們是遙遠的活動星系核。進行簡單計算後，我們發現超過80%的X射線背景輻射來自這些點源。

科學家在天空中的各個方向都探測到了高能輻射。在「錢德拉」上天之前，他們無法確定這一輻射的源頭何在。後來，科學家們發現過剩的活躍星系噴發出大量X射線輻射。上面這張深場照片中的星星點點標記出這些星系的所在位置。（圖片來源：NASA/GSFC(MUSHOTZKY, ET AL.)）

經過28小時的觀測，Mushotzky的研究小組解決了這個疑難，實現了「錢德拉」的一個主要科學目標。他們在那張照片里發現了36個活動星系核。絕大部分X射線背景輻射正是來自於這些天體。美國西北大學的Daryl Haggard總結道：「從前，我們不知道宇宙中究竟藏著多少個黑洞。原來它們向宇宙拋出了大量X射線光子，形成我們看到的X射線背景輻射。」

9. 黑洞吹出的高速風

一個質量高出太陽10倍的黑洞（編號IGR J17091-3624）與它的伴星在彼此的引力束縛下構成一個系統。伴星的氣體外殼層被星風吹走，黑洞則坐享其成，樂得把這些氣體據為己有。被俘獲的物質圍繞著黑洞形成吸積盤，因為受熱而發出紫外輻射。相互作用使附近的物質發出X射線，使得X射線天文學家正好可以利用「錢德拉」觀測、研究這一區域。

除了為天體拍照外，「錢德拉」還收集天體的光譜信息。通過觀察譜線波長的移動，科學家得以知道天體的運動情況。2011年，Ashley King（當時正在美國Ann Arbor市密歇根大學工作）與同事一起研究IGR J17091-3624的譜線波長。他們發現，與所有已知的恆星質量黑洞附近的吸積盤吹出的風相比，這個黑洞的吸積盤吹出的風速是前者的10倍，達到光速的3%。

如上圖所示，恆星質量的黑洞（編號IGR J17091-3624）從伴星那裡竊取物質，並把它們添加到圍繞自己的吸積盤裡。天文學家用「錢德拉」研究這對天體，發現黑洞吸積盤吹出的風，其速度達到光速的3%，比之前所見的吸積盤風的速度高出近10倍。（圖片來源：NASA/CXC/M. WEISS）

科學家把這一結果與幾個月前的觀測結果進行對比，發現這個系統以前並沒有如此高速的風。從天文學角度講，這說明從黑洞吸積盤吹出的風變化無常，並不穩定。

10.年輕的類太陽恆星發出大量耀斑

藉助「錢德拉」出眾的眼力，天文學家探測到年輕的類太陽恆星的高能活動。這些信息有助我們了解太陽年輕時的行為。2003年，天文學家盯著獵戶座星雲觀察了近兩周時間（13天）。他們在那裡總共找到1000多顆恆星，其中28顆湧出X射線爆發。科學家探知這些恆星的年齡在1百萬年至1千萬年之間。可它們噴出的輻射能量遠遠高出太陽在其46億年生命中所經歷過的爆發。科學家想知道這些高能爆發對行星成長有何影響。

天文學家展開多波段觀測，並對觀測結果進行綜合分析。例如，紅外輻射揭示出恆星附近的氣體塵埃雲——形成行星的物質盤就位於其中。科學家還能根據恆星的紅外輻射推算它的質量。由於年輕恆星是明亮的X射線源，科學家可以比較它們的年齡、質量，看看其周圍是否有物質盤環繞。

研究發現，質量為5至10倍太陽質量的恆星，其附近的物質盤只能存在幾百萬年；接近太陽質量的恆星，其物質盤則能保留更長時間。「要形成像木星這樣的巨行星，物質盤必不可少，而且行星形成的速度要快。」美國馬薩諸塞州劍橋市史密松天體物理研究所的Harvey Tananbaum說。「結合X射線和紅外波段的觀測數據，我們開始對環繞在不同質量的恆星周圍的物質盤壽命增進了了解。」此類研究為破解環繞年輕太陽的氣體塵埃盤如何孕育出8大行星及無數小天體提供了有益的提示。

獵戶座星雲（編號M42）是數千顆恆星的家園。「錢德拉」幫助天文學家找到28顆類似太陽的恆星。這些恆星的年齡在1百萬年至1千萬年之間。它們經歷過的強烈X射線耀斑比太陽多得多。這些高能爆發會影響到環繞恆星的氣體塵埃盤，而那裡正是孕育行星的場所。(圖片來源：X-RAY:NASA/CXC/PENN STATE/E. FEIGELSON & K. GETMAN, ET AL.;OPTICAL:NASA/ESA/STScl/M. ROBBERTO, ET AL.)