起風了 | 銀河系「大瀑布」的古老身世

位於遙遠星系團中的黑洞像「瀑布」一樣,向下溢出了大規模的磁性暗條。(Credit: Rudnick and collaborators, 2022)

自20世紀80年代初,首次發現銀河系中心噴流而下的一系列大型、高度有序的磁性暗條(magnetic filaments)以來,天文學家們就一直針對這些神秘的現象進行研究。

如今,40年過去,這些奇怪暗條的構成和起源仍是未解之謎,困擾著天文學家們。不過最近,西北大學物理學和天文學教授扎德(Farhad Zadeh)和其團隊的一項發現揭開了其中的巨大謎團……

隨著其他星系中暗條的發現,扎德和團隊首次對磁性暗條的未知起源提出了兩種假說。在本月處發表在《天體物理學雜誌快報(ApJL)》上的一篇新論文中,扎德的團隊提出,這些磁性暗條可能是由大尺度星系風雲的相互作用引起的,也可能是由弱磁場內部的湍流引起的

扎德說:「我們對我們銀河系中心的暗條了解很多,現在銀河系外的暗條開始以新的形式出現。儘管環境大不相同,但這兩種暗條種群的潛在物理機制是相似的。這些物體是同一族的一部分,但銀河系外的暗條有著在時間和空間尺度上更古老的‘遠親’。」

/暗條的存在,並不是宇宙中的個例…

扎德發現的第一個暗條長達150光年,高聳在銀河系中心超大質量黑洞附近。今年,扎德又新觀測到了近1000根暗條。在這一批中,有一維暗條成對成群地出現,以相等的間距堆疊,像豎琴上的琴絃一樣並排,或像瀑布中的單個漣漪一樣向側面溢出。

特寫暗條的無線電圖像。最左邊的暗條來自外星系。它的長度為100千秒差距,超過了銀河系其他三根暗條,長度分別為28秒差距、12秒差距和6秒差距。(Credit: Rudnick and collaborators, 2022)

通過射電望遠鏡的長期觀測,扎德發現神秘的磁性暗條由宇宙射線電子組成,這些電子沿著磁場以接近光速的速度旋轉。現在,儘管扎德解開了磁性暗條是由什麼製成的謎題,但他仍然想知道它的起源。事實上,每當天文學家在我們自己的星系外發現了一個新的群體時,它就提供了潛在的研究暗條空間物理的新機會!

這個新發現的磁性暗條位於一個由數千個星系組成,距離地球10億光年的星系團內。星團內的一些星系是活躍的射電星系(射電星系被認為是大規模磁性暗條的溫床)。當扎德第一次看到這些新發現的磁性暗條時,他感到非常驚訝:「在我們自己的銀河中心研究了這些年的暗條之後,在其他星系看到這些極其美麗的結構,我非常興奮。因為這次我們在宇宙的其他地方也發現了這些暗條,這暗示著這是宇宙中的普遍現象。」

/

超長「拔絲」,銀河系的四五倍!

儘管新的暗條群體看起來與銀河系中的暗條十分相似,他們有一些關鍵的區別。比如,銀河系外的暗條要比銀河系內的暗條長100到10000倍。它們的「年齡」也大得多,磁場也較弱。它們中的大多數奇怪地以90度角從黑洞的噴流中懸掛到星系團內介質中,或是星系團內星系之間的空間中。

但新發現的暗條群和銀河系的暗條的長寬比相同。這兩個群似乎都通過相同的機制輸送能量。離噴流更近的地方,暗條的電子能量更高。當它們沿著暗條行進得更遠時,它們就會逐漸失去能量。儘管黑洞的噴流可能會提供產生暗條所需的粒子,但一定有某種未知的力量在在加速這些粒子。

扎德說:「其中一些暗條具有驚人的長度,高達200千秒差距。這大約是我們整個銀河系的四到五倍大!值得注意的是,它們的電子在如此長的範圍內保持在一起。如果一個電子以光速沿著暗條的長度移動,那麼需要用上70萬年!(而且它們不會以光速移動)。」

/起風了,暗條和大宇宙

在最新發表的論文中,扎德和團隊假設暗條的起源可能是星系風和障礙物(如星際雲)之間的簡單相互作用。當星系風繞過類似的障礙物時,它會在障礙物後面形成一條類似「彗星」一樣的尾巴。

最大的尺度上,宇宙中的物質就好像被排列在一個由氣體暗條組成的宇宙網中,氣體暗條被空隙隔開,又在簇中相遇。(Credit: MAGNETICUM simulation.)

扎德解釋道:「星系風來自星系自轉時自身的運動。這就像你把手從一輛正在行駛的汽車上伸出窗外。外面沒有風,但你感覺到空氣在移動。當星系移動時,它會產生星系風,可能會穿過宇宙射線粒子相當鬆散的地方。它會掃過物質,形成絲狀結構,也就是我們說的暗條。」

同時,扎德模型提供了另一種可能性。當研究人員模擬一個活躍的、湍流的介質時,就會產生長的暗條結構。扎德解釋說,當射電星系四處移動時,引力會影響介質並攪動它。然後,介質形成漩渦點。在弱磁場纏繞這些渦流後,它會被拉伸、摺疊和放大,最終變成具有強磁場的細長暗條。

「我們銀河系外的所有這些磁性暗條都非常古老,它們幾乎來自我們宇宙的另一個時代,但卻向銀河系居民咱們發出信號,暗條的形成可能真的有著共同的起源!」

原文連結 /

https://phys.org/news/2022-11-milky-mysterious-filaments-older-distant.html

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