鳳凰座星系團冷氣體之謎

鳳凰座星系團（Phoenix Cluster）是由眾多星系組成、受重力束縛的龐大結構，距地球約 58 億光年，核心為質量約百億倍太陽質量的超大質量黑洞，卻仍保持極高的恆星形成速率，與典型星系團不同，長期讓天文學家困惑。一般而言，其他星系團，核心的超大質量黑洞會釋放高能粒子與輻射，阻止氣體冷卻到足以形成恆星的溫度。然以詹姆斯·韋伯太空望遠鏡觀測，科學家終於解開為何這個巨型星系團能以如此高速率形成恆星的謎團。

研究員長期試圖理解鳳凰座星系團的氣體流動，以探究高速率恆星形成的驅動機制。最令人困惑的現象之一是極端氣體冷卻問題。鳳凰座星系團擁有已知星系團最多高溫冷卻氣體，研究員比喻為滑雪場運作模式：如配備最多纜車運送滑雪者上山的滑雪場。並非所有滑雪者都能順利滑到山下，代表並非所有氣體都能成功冷卻至低溫。如果纜車運送的滑雪者數量遠多於最終抵達山下的人數，顯示某個環節出了問題。過去研究發現，這些數量始終對不上，暗示部分氣體冷卻時消失了。

韋伯望遠鏡終於揭開謎團，發現停滯半山腰的滑雪者。研究員成功追蹤並繪製過去無法探測到的中等溫度冷卻氣體，證實這些氣體分布在極高溫（約 1,000 萬 K）的熱氣體與已冷卻至約 1 萬 K 的低溫氣體間，填補了觀測空白。由於探測能力的限制，過去研究僅能測量星系團核心最極端的高溫和低溫氣體，介於兩者之間的溫暖氣體一直未觀測到。如今用韋伯望遠鏡，終於能完整描繪鳳凰座星系團氣體冷卻的全貌。

▲ 鳳凰座星系團影像結合哈伯太空望遠鏡、錢卓拉 X 射線天文台、特大天線陣（VLA）電波望遠鏡數據。錢卓拉 X 射線天文台數據顯示極高溫氣體（紫色），哈伯太空望遠鏡的可見光數據顯示星系（黃色）、恆星形成區域的較冷氣體絲狀結構（淺藍色），特大天線陣在電波波段觀測到噴發產生的噴流（紅色），這些噴流向外擴張，星系團高溫氣體形成空洞氣泡。（Source：NASA / CXC / NRAO / ESA / Michael McDonald (MIT) / Michael Reefe (MIT) / Joseph Olmsted (STScI)）

▲ 與上圖相同，顯示鳳凰座星系團的氣體分布。核心噴流（紅色）向外擴張，在高溫氣體形成氣泡，邊界以紫色虛線標示。綠色虛線則標示韋伯太空望遠鏡探測到的中等溫度冷卻氣體，證實這些氣體分布於極高溫（約 1,000 萬 K）與低溫（約 1 萬 K）氣體之間，填補觀測空白。（Source：NASA / CXC / NRAO / ESA / Michael McDonald (MIT) / Michael Reefe (MIT) / Joseph Olmsted (STScI)）

韋伯望遠鏡能偵測到溫度約 30 萬 K 氣體，除了受惠卓越儀器性能，自然界特殊條件也提供助力。這項發現涉及氖（Ne）與氧（O）離子，兩種元素通常在相似環境形成。這溫度範圍內，氧發射光比氖強百倍，但僅能紫外波段觀測，氖雖然發射光較弱，卻能在紅外波段發光，使韋伯望遠鏡得以探測。

團隊希望將這技術用於更多典型的星系團研究。儘管鳳凰座星系團許多方面屬特例，但這發現為理解其他星系團的恆星形成機制邁出重要一步。