「瞳」任務首次繪製出星系團熾熱風的圖像

日本的「瞳」衛星傳回的空前精細的測量結果，使得科學家們首次追蹤到了英仙座星系團中心發射X射線氣體的運動。該結果展示了期待已久的下一代X射線儀器的首秀，其關鍵組成部分是由馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心研發的。一台搭載在「瞳」衛星（Hitomi）上的革命性的儀器發回了對於星系 團中心的溫度高達百萬度的大氣迄今為止最為精細的測量結果。

由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）主導的「瞳」衛星於2月17日發射升空。緊接著這個空間天文台和儀器的成功激活，「瞳」衛星在3月26日遭遇飛行器故障而提前結束了任務。

不過，「瞳」在毀壞之前，仍然窺視到了英仙座星系團——一個擁有數以千計被引力聚集在一起的星系的集合體。英仙座星系團位於地球2.4億光年外，以其所在的星座而命名，包含著大量的極端熾熱氣體。氣體的平均溫度在9000萬華氏度（5000萬攝氏度），在X射線波段尤為明亮。在「瞳」衛星發射之前，天文學家並不具備測量該處氣體精細動力學特徵的能力，尤其是無從知曉該氣體與星系團核心星系NGC 1275中活動的超大質量黑洞釋放的氣體泡結構的關係。

「我們首次測量到了星系團內發射X射線氣體的運動並且確定了其在大範圍的空間尺度上的速度結構。」瞳衛星合作項目美方負責人、戈達德中心的理查德?凱利（Richard Kelley）說，「儘管這團氣體被中心黑洞的快速外向流不斷攪動，它的速度在天文學尺度上還是比較小，並且證據表明只存在較小級別的湍流。」

如這幅NASA的錢德拉X射線天文台的圖像所示，英仙座星系團充滿了熾熱的發射X射線的氣體。天文學家使用「瞳」衛星上搭載的軟X射線光譜儀，首次探測到這部分氣體的運動並且確定了其在星系團的一大部分區域內的速度結構。正方形的疊加圖層跨越了星系團大約195000光年的距離，展示了「瞳」衛星觀測到的區域。顏色與探測到的氣體速度相關，顏色越藍指示朝地球方向運動越快，而顏色越紅則指示反方向的速度更大。

圖片來源：NASA戈達德中心以及NASA/CXC/SAO/ E. Bulbul等

由戈達德中心的科學家與美國、日本以及荷蘭的數家機構的同事緊密合作研發製造的「瞳」衛星革命性的軟X射線光譜儀（SXS），使用了超過兩天半時間觀測星系團核心內一大片區域。得到的X射線光譜比先前最好的觀測結果還要精細30倍，揭示出鐵、鎳、鉻、錳X射線發射線的豐富面貌；這些金屬元素由星系團中數以億級的大質量恆星所製造，在大質量恆星演化為爆發的超新星時散布開來。

SXS研究了一塊邊距跨越星系團大約195000光年的方形天區。該區域內氣體朝向或者遠離地球運動的速度總的範圍被發現為大約365000英里每小時（590000千米每小時）——對人類衡量標準而言已經巨大，但在宇宙學尺度上驚人地合理。觀測到的速度範圍指示湍流僅僅貢獻了總氣體壓力的4%。這一結果引起了天體物理學家的特別的興趣。湍流氣壓是先前沒有測量的物理量，其對於星系團質量的估計有著顯著的影響。SXS測量結果顯示（星系團質量的估計）僅需做小的改正。

「我非常意外，熾熱氣體吸收黑洞輸出的能量是如此快速和高效。氣體相對穩定，並沒有如我們之前所想的那樣被推來推去。」團隊成員、安大略的滑鐵盧大學物理與天文學教授布萊恩?麥克納馬拉（Brian McNamara）說，「『瞳』衛星的英仙座觀測結果告訴我們，我們可能可以用比稱量我們所在的銀河系更高的準確度去稱量遙遠的星系團。」

在可見光圖像中，英仙座星系團的核心看起來完全不一樣。我們透過暗星的遮掩看去，這些在X射線波段十分顯著的星系團氣體，在可見光圖像中被一組模糊的星系所取代。這幅圖像顯示的是與上述錢德拉圖像同樣的天區。中心的奇特天體是NGC 1275，即星系團的中心星系，其自身就是一個顯著的X射線與射電輻射源。星系的核心有一個由落入物質驅動的超大質量黑洞。從星系中擴展出來的熾熱纖維狀結構描繪了被黑洞猛烈吹出的氣體泡的蹤跡。除了這一活動，「瞳」衛星的觀測結果還顯示，附近的熾熱星系團氣體以宇宙學合理的速度運動。

「瞳」衛星合作組織撰寫的一份發表於《自然》雜誌7月7日版次的論文詳細記述了這些發現。

為了在宇宙學尺度上確定氣體運動情況，天文學家們通常將光分散為彩虹狀的光譜。光譜中不連續的亮線或者暗線對應著由特定化學元素特徵發射或者吸收的波長。對於遠離或者朝向地球運動的氣體，這些譜線將會相應地向光譜的紅端或者藍端移動，移動的量取決於氣體的速度。氣體運動也可能使這些譜線模糊或是變寬，為星系團的環境提供了另外的線索。

圖為「瞳」飛行器，即後來的ASTRO-H，2015年11月27日攝於日本筑波宇宙中心。飛行器左下方的開放隔間放置的是軟X射線光譜儀。

圖片來源：日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）

「瞳」衛星的SXS載荷應用了一項革命性的測量X射線「顏色」的方法，叫做微量熱技術。該技術產生了空前的光譜解析度，觀察佔據相對較大天區的目標源時也不會使光譜模糊，這個問題發生在傳統的方法中。SXS的微量熱計測量每個光粒子（即光子）擊中探測器時產生的熱量。這樣產生的微小溫度增加就可以精確地確定入射X射線光的能量。

在SXS的探測階段，其視線上的一扇門保持關閉以保護微量熱計免於可能的污染，因為飛行器上所搭載的物質也會向真空空間釋放殘餘的氣體。這扇門被設計得使X射線以減少的水平通過，但是它很必要地在一些低能X射線到達探測器前將它們吸收。

「軟X射線光譜儀（SXS）是一項技術的奇蹟，運行效果好到令人矚目，儘管部分受阻，但超出了它的績效目標。」合作者、戈達德X射線天體物理實驗室主管、「瞳」項目美方科學家羅伯特?彼得（Robert Petre）說到。

對英仙座的觀測結果給了我們對X射線微量熱技術將會為天體物理學帶來的巨大進步誘人的一瞥。美國的研究人員在1980年代開闢了這項技術的發展，但是「瞳」衛星極其短暫的運行標誌著這一技術迄今為止最成功的空間應用。

「我們使用一個能夠解析到各種原子發射線成分的儀器來觀測一個星系團還是第一次，而且我們立即看到了與現有模型之間的矛盾。」來自戈達德的團隊成員馬克西姆?馬爾科維奇（Maxim Markevitch）說，「這是一個被期待已久用來診斷宇宙等離子體的狀況的工具，我們最終可以將其應用於星系團，基於這些數據就會有很多論文的發表。」

「瞳」（Hitomi）是在它被作為ASTRO-H發射前有的名字。這項任務由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的下屬部門宇宙科學研究所開展。「瞳」航天器由JAXA領導、NASA戈達德和美國、日本、加拿大和歐洲的其他機構參與的國際合作項目聯合製造。