宇宙中不一样的焰火

□ 黄亚芳

宇宙中不一样的焰火

□ 黄亚芳

焰火，不是人类的专利，也不是唯有地球所有，这不哈勃空间望远镜就捕捉到了来自宇宙的焰火！

图中的“焰火”其实是哈勃空间望远镜的第三代广域相机（WFC3）拍摄到的一个星系——Kiso 5639。它一端团簇璀璨如炸开的烟花球，另一端狭长蔓延如烟花扫过的光路，细细欣赏好似听到了焰火划过夜空，绽放爆发出的热闹声响。

超链接：Kiso 5639档案

Kiso 5639位于北天的大熊座，距离银心约为24.5Mpc，动力学质量（运用动力学方法所求得的天体质量）为1.5×108太阳质量，光度质量（根据天体质量和光度的关系所估计出的质量）约为5×107太阳质量。研究分析表明Kiso 5639呈薄饼状，且有一个缓慢旋转的盘，因为我们看到的是其侧面，而且其中一段有活跃的恒星形成活动，因此从我们的角度看来这个星系的外形既像在宇宙中自由游弋的小蝌蚪，又像是划过天际的彗星。

图1 哈勃空间望远镜第三代广域相机（WFC3）拍摄的Kiso 5639多色合成图像。225纳米、336纳米波段的紫外辐射显示为紫色；438纳米波段的显示为蓝色；547纳米波段的显示为绿色；606纳米波段的显示为白色；657纳米的氢发射线（Hα）显示为橙色；814纳米的近红外辐射显示为红色。图片来源：NASA

因为有一个有恒星形成活动活跃的明亮头部和一个包含着较弱恒星形成活动的暗弱尾部，类似Kiso 5639这种形状的星系也被称为蝌蚪状星系，根据哈勃分类属于不规则星系。这类星系在早期宇宙中比较常见，在哈勃空间望远镜的超深空观测区域内的所有星系中能够占到10%。通常此类星系都是年轻星系的代名词，包含有异常活跃的恒星形成活动，因此Kiso 5639对天文学家来说是非常难得的观测样本。

图2 哈勃分类是著名天文学家爱德温•哈勃对星系所做的分类，他把星系分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系。每种基本结构还可依照这一群中形状的差异予以细分。

图3 Kiso 5639 星系在哈勃空间望远镜第三代广域相机不同滤光波段下显示出不同的形态（天体不同部分辐射出的波长不同，因此用不同波段观测同一天体便可以得到天体内部不同部分、不同年龄的结构分布，如Hα波段观测明亮部分对应的是具有活跃恒星形成活动的区域）。观测分别于2015年2月和7月进行，图中数字代表观测中心波长（单位：纳米）。

图4 Kiso 5639星系的多色合成图像（假彩色图，如图3所示，观测得到的各个波段的图像只有某个点的强度，对不同波段赋予不同的颜色，合并后得到的便是天体的假彩色图像，以便区分观察天体的内部结构和外形轮廓等）。图中F657N波段用红色显示、F547N波段用绿色显示、F438W波段用蓝色显示。从此图中可以看出该星系在红色（Hα）波段显示出突出的纤维状结构，勾勒出整个星系尤其是明亮头部的边缘轮廓，说明星系周边具有活跃的恒星形成活动。

哈勃空间望远镜利用其装载的第三代广域相机对Kiso 5639星系从UV波段到I波段外加Hα连续波段都进行了大视角高分辨率的观测，为天文学家提供了宝贵的数据。纽约州瓦萨学院黛布拉・厄尔默格林（Debra Elmegreen）带领的研究团队利用哈勃空间望远镜高分辨率数据进行了对比计算，对该星系进行了系统、详尽的研究分析（相关论文“Hubble Space Telescope Observations of Accretion-Induced Star Formation in the Tadpole Galaxy Kiso 5639”发表在《天体物理学报》上）。

图5 Kiso 5639星系在Hα波段（F657N）的假彩色图像。此图像进行了平滑处理，以便模糊其周围的精细结构，突出内部的明亮区域（Hα发射集中区域），由此得到具有剧烈恒星形成活动的区域。

图6 Kiso 5639星系头部部分的假彩色图像。图中F336W波段用蓝色显示、F547M波段用绿色显示、F814W用红色显示。中心最亮、最白的区域对应的便是头部中最年轻、质量最大的部分。

图7 Kiso 5639星系头部部分的假彩色图像。图中F225W波段用紫色显示，F547M波段用绿色显示，Hα发射集中区域用红色显示，此图清晰地展示出星系头部的精细结构，包含有多簇纤维状发射和多个贯穿性孔洞，天文学家对其分析可以推测其中的星暴活动。

图8 通过对以上的图像和其中的光谱强度计算分析，得到Kiso 5639星系中的5个主要的星团聚集区域（a-e）和4个分布在其间的区域（f、g、h、i）（背景图为F438W波段图像）。通过对高精度图像的分析，头部的a区域中找到21个星团，在其余四个处于尾部的聚集区域（b、c、d、e）中找到40个星团，通过计算得到这61个星团的年龄和质量，分析发现处在头部的21个星团平均年龄约为8×105年，比尾部的星团年轻7-12倍；平均质量约为1.6×104太阳质量，是尾部星团平均质量的3-6倍。由此可见，星系中主要的恒星形成活动、年轻星团和大质量星主要集中在头部区域。而对应其间的四个区域（f、g、h、i），则是星系中最年老星团的所在位置。

图9 通过对以上的图像计算分析，研究人员得到了Kiso 5639星系外围区域中10个具有较强发射的区域（背景图为F438W波段观测图像），发现星系中的恒星形成活动对星系周围的区域也产生了影响。

图10 星系头部的Hα波段图像，为了对其中的精细结构进行分析，此图对观测信号进行了增强处理，图中标出了10个孔洞区域，展示出了其中的星暴活动。

分析研究显示，仅该星系头部约830pc直径范围内就有21个包含有活跃恒星形成活动的年轻星团，平均质量为2×104太阳质量，而年老的和一些低质量的星团则分布在尾部的其他四个区域。而且通过光谱计算分析发现，头部的星暴区域金属丰度只有其他部分的40%。据此天文学家们讨论分析得到以下结论。

星系头部气体（明亮部分）中金属含量低（天文学称为“金属”，实际上指除氢氦外的一切元素），也就是说，其中包含重元素，比如碳和氧，比星系其余部分的含量少。恒星主要由氢和氦组成，但还含有或多或少的重元素。随着恒星老去死亡，其制造的重元素将释放到星际空间，使周围气体的重元素含量提高。目前观测到的现象意味着，这很可能是单一的、主要由氢构成的气体撞入了该星系头部。因为星际气体基本由富含原始氢的气体组成，否则的话，星暴区域（因为大量的超新星爆发）重元素含量理应比其余区域高。

星系头部有大规模的恒星形成区——在星系头部的恒星孕育区有几十个年轻星团。这些星团的年龄甚至小于100万年，而质量约为星系其他区域的3-6倍。星系的其余区域也有恒星诞生现象，但规模小得多，而那里的星团年龄在数百万到几十亿年之间。就一个小型星系而言，该星系头部的恒星形成率远远超过同类星系，由此推测是贫金属气体的持续吸积过程触发了其中的星暴现象。

另外，星系头部存在的多个巨大“孔洞”，就像礼花在空中绽放出的效果，这实际上是其中的多个超新星爆发在稀薄的超热气体中雕刻出来的形态。

Kiso 5639离我们约8000万光年，需要十亿年计的时间发展成长。它漂泊在宇宙的一片孤立“沙漠”中，而那里缺少气体。那么，到底是什么点燃了这个死水般的星系，使得它剧烈地孕育恒星呢？

根据研究团队的计算机模拟，大约在不到100万年之前，这个星系的头部突然撞上了一条星系际气体束，大团物质从气体纤维束中落入星系，点燃了“星星”之火。预期在未来，星系的其他部分将加入这场恒星烟花秀。随着星系的旋转，Kiso 5639的其余部分将浸泡到气体束中，获得新气体注入，从而点燃另一波星暴焰火。

（责任编辑 冯翀）