科學家發現星系間的橋梁，接近光速的電子，建起了一座射電橋

2020-09-04 姿勢分子knowledge

在宇宙中，雖然各個天體之間的距離都非常遙遠，但它們之間的碰撞仍然是在所難免的。

近到太陽系內，經常有小天體會撞擊行星；遠到其他星系之中，黑洞、中子星等緻密星在引力的作用下碰撞、合併；甚至再誇張一點，連擁有著數千億顆恆星的星系之間，也會發生碰撞。

以我們的銀河係為例，在大約一百億年的歷史中，它和許多衛星星系發生過碰撞，或者說是單方面的吞併過程。不過，在30-40億年後，有一個旗鼓相當甚至更巨大的星系——仙女座大星系將會和銀河系發生一次史詩級的大碰撞。沒有人知道兩個龐大的星系會以怎樣的形式融合在一起，最好的研究方式，莫過於對其他星系之間的合併進行觀測，那可能就是我們將要面對的未來。

在大約30億光年之外，就正在上演這一幕壯觀的畫面。Abell 1758是一個星系團，包含著4個星系，它們分別兩兩成團，互相靠近。其中，北方的一個被命名為Abell 1758 N，而南方的星系團則被命名為Abell 1758 S。據觀測，雙方已經進入到合併的前夕。

2019年的時候，NASA利用錢德拉X射線望遠鏡對Abell 1758進行了觀測，發現Abell 1758 N的兩個星系已經在3-4億年前就已經完全撞在了一起，並且由於慣性的作用繼續前進。不過，它們不會「擦肩而過」，在引力的作用下，它們還會重新靠攏，最終融合在一起。而南方的Abell 1758 S，則正在準備第一次相撞的路上。

值得注意的是，在這兩對正在碰撞的星系組合中，科學家們都發現了無線電發射光環。在此之前，科學家們就在Abell 0399 和 Abell 0401兩個星系團中發現了這種無線電光環，而Abell 1758是第二次被發現了這種結構，在兩個星系之間搭建起了一條低頻電磁波的「橋梁」。據科學家推測，這種光環是星系在合併過程中導致電子加速而形成的，這也從側面印證了星系的磁場。在Abell 1758中，相距600萬光年的電子們加速著相對飛行，然後撞在了一起，砰，光環就形成了。

（圖片說明：LOFAR拍攝的Abell 1758）

為了研究這種射電橋的性質，荷蘭萊頓天文臺的Andrea Botteon帶領著他的團隊，利用先進的國際低頻陣列射電望遠鏡（LOFAR）對Abell 1758進行了觀測。正是利用LOFAR強大的觀測能力，他們才在144兆赫的頻段下發現了Abell 1758 N和Abell 1758 S之間的射電橋。

在發表於《英國皇家天文學會月刊》上的論文中，他們指出：「我們現在已經確定了這兩個系統之間確實存在巨大的射電橋，而此前的研究一直處於初步提出的階段。這是迄今為止第二個在星系團中被發現的大尺度射電橋，它在LOFAR144兆赫的圖像中可以看得非常清晰，在553兆赫的圖像中也能初見端倪。」

科學家們相信，這就是星系磁場所造成的結果，巨大的磁場起到了同步加速器的作用，電子在這裡被加速到了相對論級別的速度，進而產生了低頻的射電輻射，被我們觀測到。

（圖片說明：科學家分別利用錢德拉X射線望遠鏡和LOFAR對abell 1758拍攝的畫面）

除此之外，還有一些人認為這些電子是通過費米加速機制才獲得這樣驚人的速度的。所謂的費米加速，指的是星際氣體的湍動導致的磁場流動給電子提供了加速的動力。當這樣的動力足夠強大，電子就會達到相對論速度，從而形成射電橋。而這樣的湍動，對於兩個正在合併的星系團來說，根本就不在話下，二者產生的湍流和衝擊波足以給電子加速到這樣的速度。

Botteon的團隊也認真考慮了這種可能，並且認為：如果這裡的幾個星系之間的確有引力的相互作用，那麼產生費米加速的可能性將會非常高。同時，他們還提供了另外兩個證據，可以有力地證明這一點。

  1. 根據去年的一項發現，LOFAR在對一組質量較低的星系合併畫面進行了拍攝和研究，結果只在其中一個星系周圍發現了射電光環，而並沒有出現射電橋的跡象。
  2. 在利用LOFAR觀測的同時，科學家還利用NASA的錢德拉X射線望遠鏡對它進行了觀測，結果顯示，射電橋在X射線波段的表現和利用費米加速機制預言的情況高度一致。
  3. 此外，研究人員在對Abell 0399 和 Abell 0401的合併進行分析後認為，僅僅依靠磁場，是不足以覆蓋如此寬廣的區域的。同時，利用計算機的模擬，他們也發現了衝擊波所產生的加速效果和LOFAR的觀測數據相一致。

因此，至少電子不是單純由磁場來加速的。也許二者兼而有之，磁場的確可以在星系之間數百萬光年的範圍內發揮作用，但是也離不開衝擊波和湍流的推波助瀾，二者合力建立起了這樣的射電橋。

Botteon等人在論文中也指出：「到目前為止，我們還只在兩個星系團中發現了這樣的射電橋，它們是目前我們在宇宙中發現最巨大的結構之一，很可能誕生於星系團內物質在合併初期所形成的湍流和衝擊波，最終在星系團之間釋放出了射電波和X射線。」

星系的合併是宇宙中最激烈的事件之一，其持續的時間長達數億年之久，因此我們現在不可能見證一個完整的合併過程，只能通過觀測到不同階段的合併事件來將這個過程串聯在一起。在這個過程中，勢必會出現許多人類還不知道的現象，這也是宇宙給我們上的最生動的一節課。星系合併中有許多神奇的現象等著我們去發現和研究，至於最終能夠獲得多少有用的信息，那就看人類自己的了。

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