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銀河系以外首發現氧分子

2020/2/20 — 14:18

上月尾刊於 The Astrophysical Journal 的研究指,在距地球 5.61 億光年的星系,檢測到分子氧的存在;之前學界已有兩次於太陽系以外發現分子氧,但這則是有人類首次在銀河系以外有如此發現。

氧是全宇宙第三多的元素,僅次氫和氦。因此,氧在星際雲 (Interstellar cloud) 中的化學性質和含量,對於理解星系分子氣體的作用非常重要。

多年來,天文學家都利用毫米波天文學 (millimetre astronomy) 技術檢測分子發射的無線電波長,不斷尋找外太空的氧分子,但過去的搜索絕大部份都找不到氧。是次研究的團隊在報告中形容,在不同星際環境中的氧化學全面認知相當貧乏。

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其中一個曾被發現有分子氧的地方,是距地球超過 1,300 光年的獵戶座星雲 (Orion nebula) 。據學界推測,在太空中,氧會與氫結合以水冰的形式出現,並附在塵埃顆粒上。不過,獵戶座星雲是分子雲 (stellar nursery) ,即恆星形成區,非常熾熱的年輕恆星會發出強烈輻射,有可能使水冰升華使當中分子分裂,釋放出氧氣。

是次發現氧分子的地方是地球 5.61 億光年的馬克仁 231 (Markarian 231) 星系。該星系由類星體 (quasar) 推動,中央有個非常光的活躍星系核伴隨著一個超大質量黑洞,而馬克仁 231 亦是宇宙中最明亮的天體。

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實際上,天文學家估計馬克仁 231 的中心可能有兩個活躍的超大質量黑洞,以極快速度互相圍繞旋轉。同時活躍星系核會驅使分子流出,產生持續不斷的衝擊,將分子雲中的水冰釋出氧,由於馬克仁 231 的分子流出速度特別快,因此吸引團隊調查當中是否含有氧分子。

團隊使用西班牙的 IRAM 30 米望遠鏡在多個波長範圍內對該星系進行了四天的觀測。他們在觀測數據中發現了氧的光譜特徵,與之前的衝擊假說相符。

報告指,檢測到的氧分子距離星系中心約 3.26 萬光年,可能是由活躍星系核驅動的分子流出與分子雲外盤互動所產生。數據又顯示,

與氫相比氧含量比在獵戶座星雲中的高出約 100 倍,因此該星系可能曾經歷同一分子分裂過程,但過程更為劇烈。

馬克仁 231 是一個星暴星系 (starburst galaxy) ,可能正經歷激烈的恆星形成過程。即使該星系中只有一個區域正在形成新恆星,都會以每年超過 100 個太陽質量速度形成,氧可能就是分子氣體的重要冷卻劑。相比之下,銀河系則非常安靜,恆星形成率約為 1 至 2 個太陽質量。因此,較難找到氧分子。

另一方面,這也可能意味著人類需要更多觀察來確認找到的正是氧分子。團隊指,如果再有人檢測到相同的結果,該恆星形成造成的現象可用來了解銀河系中的分子氧以及活躍星系核的分子外流。

來源:
Science Alert, Astronomers Have Detected Molecular Oxygen in Another Galaxy For The First Time, 19 February 2020

報告:
Wang, J.Z., Li, D., Goldsmith, P.F. & et al. (2020). Molecular Oxygen in the Nearest QSO Mrk 231. The Astrophysical Journal 889 129. doi: 10.3847/1538-4357/ab612d

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

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