ALMA和JWST揭示银河冲击正在以神秘的方式塑造斯蒂芬的五重奏

入侵星系和斯蒂芬五重奏之间剧烈碰撞产生的冲击波正在帮助天文学家了解湍流如何影响星际介质中的气体。

阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 和詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的新观测表明，数倍于银河系大小的音爆启动了一个热分子氢气和冷分子氢气回收工厂。更重要的是，科学家们发现了一个巨大的云团分裂成温暖气体雾的过程，两个云团可能发生碰撞，在它们周围形成一团温暖的气体，以及一个新星系的形成。

今天在华盛顿西雅图举行的美国天文学会 (AAS) 第 241 次会议的新闻发布会上公布了这些观测结果。

斯蒂芬五重奏是一组五个星系——NGC 7317、NGC 7318a、NGC 7318b、NGC 7319 和 NGC 7320——通常位于飞马座，距离地球约 2.7 亿光年。该小组为研究星系碰撞及其对周围环境的影响提供了一个原始实验室。通常情况下，星系碰撞和合并会引发恒星形成的爆发;斯蒂芬的五重奏并非如此。相反，这种剧烈的活动发生在星系间介质中，远离星系，那里几乎没有或没有恒星形成来阻挡视线。

这扇通向宇宙的干净窗户让天文学家得以观察其中一个星系 NGC 7318b 以大约 800 公里/秒的相对速度猛烈侵入该星系团时发生的情况。以这样的速度，从地球到月球只需八分钟。

天文学家兼资深天文学家 Philip Appleton 说：“当这个入侵者撞入星系群时，它正在与一条可能由其他两个星系之间先前的相互作用引起的旧气体流光相撞，并导致形成巨大的冲击波。”加州理工学院红外处理和分析中心 (IPAC) 的科学家，以及该项目的首席研究员。

“当冲击波穿过这个块状流光时，它正在形成一个高度湍流或不稳定的冷却层，在受这种剧烈活动影响的区域，我们看到了意想不到的结构和分子氢气的循环。这是重要，因为分子氢构成了最终可能形成恒星的原材料，因此了解它的命运将告诉我们更多关于斯蒂芬五重奏和一般星系的演化。”

使用美国国家科学基金会国家射电天文台 (NRAO) 开发的 ALMA 波段 6(1.3 毫米波长)接收器进行的新观测使科学家能够极其详细地放大三个关键区域，并首次建立一个清晰的氢气如何连续移动和成形的图片。

美国国家科学基金会 (NSF) 的 ALMA 项目官员 Joe Pesce 说：“ALMA 的力量在这些观测中是显而易见的，它为天文学家提供了新的见解并更好地理解了这些以前未知的过程。”

位于主冲击波中心的区域，被称为第 6 场，揭示了一个巨大的冷分子云，这些冷分子正在分裂并伸展成一条长长的暖分子氢尾巴，并通过这些相同的阶段反复循环。“我们看到的是超热气体中巨大的冷分子云解体，有趣的是，这种气体无法经受住冲击，它只是在暖相和冷相之间循环，”阿普尔顿说。“我们还不完全了解这些循环，但我们知道气体正在被回收，因为尾巴的长度比制造它的云被摧毁所需的时间更长。”

这个星际回收厂并不是冲击波造成的唯一奇怪活动。在被称为 Field 5 的区域，科学家们观察到两个由温暖的分子氢气流连接的冷气体云。奇怪的是，其中一团云——类似于一颗高速的冷氢气与一根大的线状气体细丝相撞——在它穿过时在结构中形成了一个环。这次碰撞产生的能量为该地区周围温暖的气体提供了能量，但科学家们不太确定这意味着什么，因为他们还没有关于温暖气体的详细观测数据。

NRAO 的天文学家、该项目的联合研究员比约恩·埃蒙特 (Bjorn Emonts) 说：“分子云穿过星际气体，并在其尾流中留下浩劫，这可能是罕见的，而且尚未完全了解。” “但我们的数据表明，我们在了解斯蒂芬五重奏中分子气体云的惊人行为和湍流生命周期方面已经迈出了下一步。”

也许这群星系中最“正常”的是被称为 Field 4 的区域，科学家们在那里发现了一个更稳定、更少动荡的环境，使氢气坍缩成一个恒星盘，科学家们认为这是一个正在形成的小矮星系。“在场 4 中，先前存在的大片致密气体云很可能因为冲击而变得不稳定，并像我们预期的那样坍塌形成新的恒星，”德国天体物理学研究所研究员皮埃尔吉拉德说。 Paris 和该项目的一名联合研究员补充说，所有新观察结果对宇宙中湍流影响的理论模型都具有重要意义。

“斯蒂芬五重奏星际介质中的冲击波已经形成了与我们银河系中一样多的冷分子气体，然而，它形成恒星的速度比预期的要慢得多。理解为什么这种材料是无菌的是一个真正的问题。对理论家的挑战。需要做更多的工作来理解高水平湍流和冷热气体之间有效混合的作用。”

在 ALMA 观测之前，科学家们几乎不知道这一切都在五重奏的星际介质中发生，但这并不是因为缺乏尝试。2010 年，该团队使用斯皮策太空望远镜观测斯蒂芬五重奏并发现了大片温暖的云团——估计在 100° 到 400° 开尔文之间，或大约 -280° 到 260° 华氏度——分子氢与超-热气。“这些云层本应被穿过群体的大规模冲击波摧毁，但没有。我们想知道，现在仍然想知道，它们是如何幸存下来的?” 阿普尔顿说。

为了解开这个谜团，团队需要更多不同的技术力量和能力。一年多后，ALMA 在 2011 年底出现了第一道光，而 JWST 在今年早些时候拍摄了第一张图像。这些强大资源的结合提供了斯蒂芬五重奏的惊人美丽的红外图像，以及对巨大冲击波后冷、暖分子和电离氢气之间关系的诱人但不完整的理解。该团队现在需要光谱数据来解开温暖分子氢气的秘密。

“这些新的观察给了我们一些答案，但最终向我们展示了我们还不知道多少，”阿普尔顿说。“虽然我们现在对气体结构以及湍流在产生和维持它们中的作用有了更好的了解，但未来的光谱观察将通过多普勒效应追踪气体的运动，告诉我们温暖气体的移动速度，让我们测量温暖气体的温度，看看气体是如何被冲击波冷却或加热的。从本质上讲，我们已经了解了故事的一面。现在是时候了解另一面了。”

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