螺旋星系是怎樣形成的?

2020-11-22 天文在線

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簡介：科學家根據對M77星系的觀測，提出密度波理論來解釋螺旋星系是如何形成的。螺旋星系的旋臂上布滿恆星，磁力線延伸至兩臂之間，形成其螺旋狀的引力不斷壓縮磁場，利用FIR遠紅外偏正測量可推斷潛在磁場的形狀和方向。

螺旋狀星雲是一種標誌性的圖形，在商品的logo和一些其他地方都有用到。包括我們所生活的地方。螺旋狀星雲的這個形狀是怎麼出現的可能很明顯，旋轉嘛，但其實並不是這樣。

科學家們也不能完全理解螺旋狀星雲那優美的漩渦是怎麼形成的。天文學家在平流層紅外線天文觀測臺（SOFIA）通過觀察其它星系來研究磁場在螺旋星系中的作用。SOFIA的科學家發現M77號星系，也叫NGC1068，出現在他們的新研究中。

這個新研究叫「SOFIA/HAWC+追蹤在NGC1068星系的磁場並且其結果會在天體物理周刊上。主編是恩裡克·洛佩斯羅德裡格斯，美國宇航局艾姆斯研究中心索非亞科學中心的大學空間研究協會科學家。

「磁場是看不見的，但是它影響著星系的演化」洛佩斯羅德裡格斯在一篇報導中談到。「我們已經了解了重力是如何影響星系的構型的，但對磁場的探究才剛剛開始。」

哈勃望遠鏡拍攝的M77螺旋星雲。圖片中紅色和藍色的條紋突出了圍繞著旋臂的恆星形成的小塊區域，而黑色的塵埃帶則延伸到了布滿星星的星系中心。一項新的研究表明磁場對像M77(NGC1680)這種螺旋狀星雲的形成影響非常的大。圖片來源：NASA, ESA & A. van der Hoeven Public Domain.

M77螺旋星系距離我們有四千七百萬光年那麼遠。它是一條帶狀螺旋星系，儘管在可見光下看不出來。它有非常活躍的星系核，在可見光中也看不到，而且有一個巨型黑洞（SMBH），是Sgr A*的兩倍重，在銀河的中央。M77比銀河還要大：半徑為85000光年，而銀河只有53000光年。M77有3000億顆恆星，而銀河有2500億到4000億恆星。

M77是有明亮的活躍星系核（AGN）和圍繞核心的群星的宏觀螺旋星系。

M77的旋臂充滿了密集的恆星形成區域，稱為星群爆發。儘管我們看不到磁場線，但它仍然與螺旋臂是一致的。但是SOFIA可以觀測到磁場線，並且可以解釋一個廣為人知的理論，叫做「密度波理論」，解釋了這些星臂的形狀是如何形成的。

這是哈勃合成的M77的圖像，藍色為磁場線。

在1960年代中期，密度波理論發展起來之前，有些問題是能解釋星系中的螺旋臂的。根據「纏繞問題」，旋臂只繞幾圈軌道就會消失，與星系的其他部分難以區分。

這裡有一個可以解釋纏繞問題的視頻。

密度波理論認為星臂和穿過密度波的恆星，氣體，塵埃是分隔開的。星臂是密度波可見的一部分，恆星在密度波之間來回穿梭。所以這些旋臂並不是由恆星構成的永久結構，儘管它看起來是這樣的。

這裡有一個展示密度波是如何創造螺旋星臂的

螺旋星臂與我們看到的恆星不同。恆星在密度波之間來回穿梭。來源：物理與天文動畫（Animations for Physics and Astronomy.）

SOFIA的觀測結果展示了磁場線一直延伸到星臂上，距離為24000光年。根據這項研究，有助於形成星系螺旋形狀的引力正在壓縮磁場，這支持了密度波理論。

「這是我們第一次看到磁場以如此大的程度排列在當前的恆星誕生時的螺旋星臂上，」 洛佩斯羅德裡格斯說。「得到支持這一理論的證據非常激動人心。」

在星系裡的磁場線非常難發現，SOFIA的最新設備才使之成為可能。這個設備叫HAWC+，用遠程紅外線觀測與M77中磁場線垂直分布的塵埃顆粒。這使科學家可以推測出M77內在磁場線的形狀和方向。

總通量（色標）圖像在89°微米與疊加的流線的推斷的磁場形態。磁場的形態被推測出來因為它被認為與SOFIA觀測到的塵埃顆粒是平行的。圖片來源：Lopez-Rodriguez et al 2019

在m77中有很多潛在的幹涉，比如散射的可見光和高能粒子的輻射，但遠紅外不會被影響。SOFIA可以觀測到89微米的波長讓它能清楚的觀測到塵埃顆粒。HAWC+也是一個偏光計，一種測量和解釋極化電磁能量的裝置。

M77的總通量（色標）圖像與磁場和極化重疊。這張圖也展示了星系內部的條紋和星爆環。極化的向量已經旋轉了90°以此展示磁場線。圖片來源：Image Credit: Lopez-Rodriguez et al 2019.

這項研究只解決了單一星臂的螺旋星系，所以還有很多工作要做。我們不清楚磁場線是否會在其它不規則星系的形成中發揮作用，但我們的研究團隊似乎找到了研究不規則星系的方法。

就像他們在論文的結論處所說，「結果就與我們之前對M82和NGC253的研究一起展示在這裡，提供了遠程紅外（FIR）偏光計在研究外部星系的磁場結構中非常有用，尤其是在high optical depth的地方。

作者： Evan Gough

FY: 張顥葶

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