钱德拉X射线天文台

宇宙的膨胀可能在各个方向上都不尽相同 宇宙学的基本思想之一是，如果你看足够远的地方，所有东西在各个方向上看起来都是一样的。一项使用NASA钱德拉X射线天文台和ESA的XMM-Newton数据的新研究正在挑战这一基本概念。 天文学家利用来自这些轨道天文台的X射线数据，研究了数百个星系团，它们是宇宙中由重力聚集在一起的最大结构，以及它们在天空中的表观性质如何不同。 这张图表包含了一张完整的天空地图，显示了数百个星系团中的四个，这些星系团被用来测试宇宙在大尺度上是否在各个方向上都是相同的。 来源：NASA/CXC/Univ. of Bonn/K. Migkas et al.; Illustration: NASA/CXC/M. Weiss “宇宙学的支柱之一——研究整个宇宙的历史和命运——就是宇宙是‘各向同性的’，意思是在各个方向上都是一样的。”领导这项新研究的德国波恩大学的康斯坦丁诺斯·米卡斯说，“我们的工作表明，那根柱子上可能存在裂缝。” 天文学家普遍认为，在大爆炸之后，宇宙在不断膨胀。一个常见的类比是，这种膨胀就像一条烤葡萄干面包。当面包烘烤时，葡萄干(代表宇宙中的物体，如星系和星系团)会随着整个面包(代表空间)的膨胀而彼此远离。在均匀混合的情况下，膨胀应该在各个方向上都是均匀的，就像在各向同性宇宙中一样。但这些新的结果可能不符合这种情况。 “根据我们的星系团观测，我们可能发现了宇宙膨胀速度的差异，这取决于我们观察的方向，”来自马萨诸塞州剑桥市哈佛大学|天体物理中心和史密森尼学会(CfA)的联合作者杰里特·谢伦伯格（Gerrit Schellenberger）说。“这与我们今天在宇宙学中使用的最基本的假设之一相矛盾。” 科学家此前曾对宇宙在各个方向上是否相同进行过许多测试。这些包括使用爆炸恒星的光学观测和星系的红外研究。先前的一些努力已经提供了可能的证据，证明宇宙不是各向同性的，而有些则没有。 这项最新的测试使用了一种强大、新颖和独立的技术。它利用了弥漫在星系团中的热气体的温度与其产生的X射线量之间的关系，即星系团的X射线光度。星系团中气体的温度越高，X射线的光度就越高。一旦测量了星系团气体的温度，就可以估算出它的X射线光度。这种方法不依赖于宇宙量，包括宇宙的膨胀速度。 一旦他们使用这项技术估算出了星系团的X射线光度，科学家便使用了另一种方法来计算光度，该方法的确取决于宇宙学量，包括宇宙的膨胀速度。研究结果表明，在整个天空中，某些方向宇宙的膨胀速度明显快于其他方向，这表明宇宙在某些方向上远离我们的速度更快。 该团队还将这项工作与其他小组的研究进行了比较，后者使用不同的技术发现了缺乏各向同性的迹象。他们在最低扩张率的方向上找到了很好的共识。 这项新研究的作者针对涉及宇宙学的结果提出了两种可能的解释。这些解释之一是，大群星系团可能一起移动，但这并不是因为宇宙膨胀。例如，其他附近星团有可能被其他星系星团的引力沿同一方向拉动。如果运动足够快，可能会导致估计星团的光度时出现误差。 这些相互关联的运动在不同方向上呈现出不同的膨胀率。天文学家们已经在相对较近的星系中发现了类似的效应，这些星系的距离通常不到8.5亿光年，相互的万有引力可以控制物体的运动。但是，科学家们希望，宇宙的膨胀将主导星团在更大距离内的运动，而这项新研究所探测的星光可达50亿光年。 第二种可能的解释是，宇宙实际上并非在所有方向上都是相同的。一个有趣的原因可能是暗能量——一种似乎在推动宇宙加速膨胀的神秘力量——本身并不均匀。换句话说，X射线可能表明宇宙中某些地方的暗能量比其他地方的强，从而导致不同的膨胀率。 “这就像面包里的酵母没有均匀地混合在一起，导致有些地方比其他地方膨胀得更快，”论文的合著者、波恩大学(University of Bonn)的托马斯·赖普里奇(Thomas Reiprich)说。“如果暗能量在宇宙的不同地方被发现有不同的强度，那将是非常了不起的。然而，还需要更多的证据来排除其他解释，并形成一个令人信服的论点。” 这两种宇宙学解释都将产生重大后果。许多宇宙学研究，包括对银河星团的X射线研究，都假设宇宙是各向同性的，并且与在此处探测距离处的宇宙膨胀相比，相关运动微不足道。 研究小组使用了313个星系团的样本进行分析，其中包括237个由钱德拉观测到的星系团，总曝光时间为191天，76个由XMM-Newton观测到的星系团，总曝光时间为35天。他们还将他们的星系团样本与另外两个大型x射线样本结合起来，利用来自XMM-Newton和日美先进的宇宙学和天体物理学卫星(ASCA)的数据，得出了总共842个不同的星系团。他们用同样的方法得到了相似的结果。 一篇描述这些结果的论文将发表在2020年4月出版的《天文学与天体物理学》(Astronomy and Astrophysics)杂志上，并可在线获取。除了米格卡斯（Migkas）、谢伦伯格（Schellenberger）和雷普里希（Reiprich），本文的作者还有弗洛里安·帕考（Florian Pacaud）和米里亚姆·伊丽莎白·拉莫斯·塞贾（Miriam Elizabeth Ramos-Ceja）（波恩大学）和Lorenzo Lovisari（CfA）。 NASA的马歇尔太空飞行中心负责管理钱德拉项目。史密森尼天体物理天文台的钱德拉X射线中心控制着剑桥和马萨诸塞州伯灵顿的科学和飞行业务。 更多信息请访问NASA钱德拉X射线天文台。。 有关更多钱德拉图片、多媒体和相关资料，请访问： http://www.nasa.gov/chandra 参考来源： https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/universe-s-expansion-may-not-be-the-same-in-all-directions.html

宇宙中所见最大爆炸的证据来自钱德拉和XMM-牛顿卫星的X射线数据，以及默奇森宽场阵列射电望远镜和巨米波射电望远镜，如图所示。这次喷发是由位于星团中心星系的一个黑洞引起的，它喷发出了喷流，并在周围的热气体中形成了一个大洞。研究人员估计这次爆炸释放的能量是之前记录保持者的5倍，是典型星系团的数十万倍。 来源：X-ray: Chandra: NASA/CXC/NRL/S. Giacintucci, et al., XMM-Newton: ESA/XMM-Newton; Radio: NCRA/TIFR/GMRT; Infrared: 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF 发现了宇宙中最大的爆炸。这个破纪录的巨大喷发来自数亿光年远的遥远星系团中的一个黑洞。 “从某种意义上讲，这次爆炸与1980年圣海伦斯火山的爆发是相似的，”华盛顿特区海军研究实验室的西蒙娜·贾辛托奇说，他也是这项研究的第一作者。“一个关键的区别是，你可以把15个银河系排成一排，放进这次喷发冲击到星团热气体的火山口里。” 天文学家利用来自美国宇航局钱德拉X射线天文台和欧洲航天局XMM牛顿的X射线数据，以及来自澳大利亚默奇森宽场阵列（MWA）和印度巨米波射电望远镜（GMRT）的无线电数据做出了这一发现。 这次无与伦比的爆发是在距离地球3.9亿光年的蛇夫座星系团中发现的。星系团是宇宙中由万有引力聚集在一起的最大的结构，包含了数千个独立的星系、暗物质和热气体。 在蛇夫座星系团的中心，有一个巨大的星系，里面有一个超大质量的黑洞。研究人员认为这个黑洞是这次巨大喷发的源头。 尽管黑洞以吸引物质而闻名，但它们经常会释放出数量惊人的物质和能量。当坠入黑洞的物质被重新导向喷流或光束时，这种现象就会发生，喷流或光束向外爆炸进入太空，并猛烈撞击周围的任何物质。 钱德拉2016年的观测报告首次揭示了蛇夫座星系团的巨大爆炸迹象。伯特·维尔纳和他的同事们报告了在钱德拉星团的图像中发现了一个不寻常的弯曲边缘。他们认为这是否代表了由超大质量黑洞喷出的热气体中空腔壁的一部分。然而，他们不相信这种可能性，部分原因是黑洞需要大量的能量才能形成这么大的空腔。 贾钦图奇和她的同事的最新研究表明，一个巨大的爆炸确实发生了。首先，他们证明了XMM-牛顿也能探测到弯曲的边缘，从而证实了钱德拉的观测结果。他们的关键进展是利用来自MWA和来自GMRT档案的新无线电数据来显示弯曲的边缘确实是空腔的一部分，因为它与一个充满无线电发射的区域接壤。这种发射是由电子加速到接近光速。这种加速很可能起源于超大质量黑洞。 “无线电数据像戴手套一样放在X射线内。” NASA戈达德太空飞行中心的合著者马克西姆·马克维奇说，“这是一个证据，告诉我们这里发生了前所未有的喷发。” 创造蛇夫座空腔所需的能量大约是之前的记录保持者MS 0735+74的5倍，是典型星系团的数百乃至数千倍。 黑洞喷发一定已经结束了，因为研究人员没有在无线电数据中看到任何有关当前喷流的证据。可以通过钱德拉数据解释黑洞的关闭，该数据表明，X射线中看到的密度最大、温度最低的气体当前位于与中央星系不同的位置。如果这种气体从银河中转移出去，它将剥夺黑洞生长所需的燃料，从而关闭射流。 这种气体位移很可能是由星团中央周围气体的“晃动”造成的，就像葡萄酒在玻璃杯里晃动一样。通常两个星系团的合并会引发这种晃动，但在这里，它可能是由喷发引起的。 令人困惑的是，我们只看到了一个巨大的无线电发射区域，因为这些系统通常在黑洞的两边各有两个。可能是星团另一侧的气体密度较低，所以那里的无线电辐射消失得更快。 “就像天体物理学中经常出现的情况一样，我们真的需要多波长的观测来真正理解物理过程。” 澳大利亚国际射电天文学中心的合著者梅拉妮·约翰斯顿·霍利特说，“结合X射线和射电望远镜的信息，已经揭示了这一非凡的来源，但还需要更多的数据来回答这个天体所带来的许多问题。” 一篇描述这些结果的论文发表在2月27日的《天体物理学杂志》上，此处有预印本。除了贾钦图奇、马克维奇和约翰斯顿·霍利特，作者还有Daniel Wik(犹他大学)、Qian Wang(犹他大学)和Tracy Clarke(海军研究实验室)。诺伯特·维尔纳2016年的论文发表在《皇家天文学会月刊》上。 NASA的马歇尔太空飞行中心负责管理钱德拉计划。史密森尼天体物理天文台的钱德拉X射线中心控制着剑桥和马萨诸塞州伯灵顿的科学和飞行业务。 来源： https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/record-breaking-explosion-by-black-hole-spotted.html

根据NASA钱德拉X射线天文台和美国国家科学基金会卡尔·F·杨斯基超大型阵列(VLA)的观测，一个双星系统一直在两个不同的自我之间转换。研究人员使用了将近15年的钱德拉的数据，发现恒星二人组的行为就像一种物体切换其标识，然后在几年后返回其原始状态。这是一个罕见的恒星系统以这种方式改变其行为的例子。 天文学家在密集的恒星群中发现了这个易变的双星系统，即球状星团Terzan 5，它距离地球约2万光年，位于银河系中。这个被称为Terzan 5 CX1的双星有一颗中子星(超新星爆炸后留下的密度极高的残骸)，它围绕着一颗类似太阳的恒星运行，但质量较小。 在这张新的Terzan 5(右)图像中，钱德拉探测到的低、中、高能X射线分别为红色、绿色和蓝色。左边，哈勃太空望远镜拍摄的图像显示了同样的光学视野。Terzan 5 CX1在钱德拉的图像中标记为CX1。 在像Terzan 5 CX1这样的双星系统中，较重的中子星将物质从质量较低的伴星吸引到周围的圆盘中。天文学家可以通过其明亮的X射线光检测出这些所谓的吸积盘，并将这些物体称为“低质量X射线双星”。 圆盘中旋转的物质落到中子星的表面，增加了中子星的旋转速度。中子星的旋转速度会越来越快，直到约10英里宽、比太阳质量还大的球体以每秒数百次的速度旋转。最终，物质的转移速度减慢，剩下的物质被中子星旋转的磁场扫走，变成了毫秒级的脉冲星。在每次旋转过程中，中子星的无线电辐射束扫过地球时，天文学家会检测到来自这些毫秒脉冲星的无线电波脉冲。 虽然科学家们预计低质量的X射线双星完全演化成毫秒脉冲星需要几十亿年的时间，但在一段时间内，系统可以在这两种状态之间快速切换。 钱德拉对Terzan 5 CX1的观测表明，它在2003年表现得像一个低质量的X射线双星，因为它在X射线中比球状星团中其他几十个来源中的任何一个都要亮。这是中子星可能在积累物质的迹象。 从2009年到2014年，钱德拉的数据显示，Terzan 5 CX1在X射线中变得大约弱了10倍。天文学家还在2012年和2014年通过VLA探测到它作为一个射电源。射电和x射线的发射量以及相应的光谱(不同波长的发射量)与预期的毫秒脉冲星相吻合。尽管所用的无线电数据不允许搜索毫秒脉冲，但这些结果表明Terzan 5 CX1经历了转变，使其像毫秒脉冲星一样运转，并向外喷射物质。当钱德拉在2016年再次观测到Terzan 5 CX1时，它在X射线中变得更亮，又变回了低质量的X射线双星。 为了证实这种“双重人格”的行为模式，天文学家需要在Terzan 5 CX1的X射线微弱时检测无线电脉冲。计划进行更多的无线电和X射线观测来寻找这种行为，同时对现有数据中的脉冲进行敏感搜索。关于这些改变身份的系统，目前已知的例子只有三个，第一个是2013年利用钱德拉望远镜和其他几个X射线和射电望远镜发现的。 澳大利亚国际射电天文学研究中心（ICRAR）的阿拉什·巴赫拉米安领导了对“杰基尔和海德”双星的研究，研究结果发表在2018年9月1日的《天体物理学杂志》上。预印本在此提供。 最近的另外两项研究使用钱德拉对Terzan 5的观测来研究两个不同的低质量X射线双星中的中子星是如何在伴星将大量物质倾倒在其表面后恢复的。这些研究对于理解中子星外层的结构（称为地壳）非常重要。 在其中一项研究中，低质量X射线双星Swift J174805.3-244637(简称T5 X-3)在2012年钱德拉探测到的X射线爆发中倾倒到中子星上的物质加热了该恒星的地壳。然后中子星的地壳冷却下来，花了大约一百天的时间才恢复到爆发前的温度。冷却速率与该过程的计算机模型一致。 在另一项钱德拉对Terzan 5中另一种低质量x射线双星的研究中，IGR J17480-2446(简称T5 X-2)中子星在被发现发生爆炸5年半后，其温度仍在下降。这些结果表明，这颗中子星的地壳转移或传导热量的能力可能低于天文学家在其他低质量X射线双星中发现的冷却中子星。导热能力的这种差异可能与T5 X-2具有比其他冷却中子星更高的磁场或比T5 X-3年轻得多的磁场有关。 由荷兰阿姆斯特丹大学的纳塔莉·德格纳阿尔领导的关于快速冷却中子星的研究发表在2015年6月的《皇家天文学会月刊》上，并提供预印本。由当时阿姆斯特丹大学的劳拉·奥特斯领导的关于缓慢冷却中子星的研究，发表在2019年7月的《皇家天文学会月刊》上，此处有预印本。 NASA的马歇尔太空飞行中心负责管理钱德拉项目。史密森尼天体物理天文台的钱德拉X射线中心控制着剑桥和马萨诸塞州伯灵顿的科学和飞行业务。 更多信息请访问美国宇航局钱德拉X射线天文台。 欲了解更多钱德拉图像、多媒体和相关材料，请访问： http://www.nasa.gov/chandra 来源：https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/cosmic-jekyll-and-hyde.html

钱德拉档案集速览 美国航空航天局（NASA）的钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）已经运行了20年之久，在整个宇宙中对成千上万的X射线源进行了观测，而这些数据现在就存储在对外公开的公共档案中，在观测数据获取一年后（甚至更早）的时间里，任何人都能够进行访问。 大多数时候，钱德拉的数据档案只为科学研究目的服务于专业的天文学界，但实际上，这些数据的价值远远超出了这一范围。包括业余的天文学研究者和太空爱好者在内，有一些非专业的公众人士也会浏览像钱德拉X射线天文台所维护的一些天文档案，而他们的工作曾直接导致了全新星体的发现、神秘星际现象的探索研究，以及惊为天人的宇宙物体图像创造。 10月31日，一组光学合成图像正式向公众开放发布，这组由多种类型的光数据组合成得到的图像，使用了钱德拉的X射线数据以及哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）的可见光数据。在美国，每年的10月是著名的“存档月” （Archive Month），这组由“天文艺术家”朱迪•施密特（Judy Schmidt）制作的图像集，是本次“存档月”的突出作品之一，同时也宣传和展现了所有类型档案的贡献。如何利用钱德拉的数据制作图像？相关的软件工具、使用说明和教程都是免费的，并且可以在许多线上的地方找到，例如https://chandra.harvard.edu/photo/2019/archives/。 这个新档案库中的所有星际物质，都位于大麦哲伦星云（Large Magellanic Cloud，LMC）这一距离银河系约15万光年的小型卫星星系之中。这些图像包括： 上面一行，从左到右依次是： 图片制作：朱迪•施密特（CC BY-NC-SA）； 数据来源：NASA / CXC / SAO和NASA / STScI。 N103B：白矮星（white dwarf）是类太阳恒星（Sun-like star）演化的最后阶段，密度极大，当一场热核爆炸摧毁了双星系统中的白矮星并产生了超新星（supernova）时，它留下了这个发光的碎片场，被称为超新星遗迹（supernova remnant，SNR）。钱德拉的X射线数据在这张超新星遗迹图像的左侧最为明显，表现为红色、绿色和蓝色，代表的是温度高达数百万度的气体，在爆炸中，恒星被摧毁成碎片从而产生了高能的冲击波，这些气体就是因此被加热的。哈勃空间望远镜的可见光数据在这张图的右侧最为明显，与X射线数据的重叠大部分表现为粉红色和白色。 图片制作：朱迪•施密特（CC BY-NC-SA）； 数据来源：NASA / CXC / SAO和NASA / STScI。 LHA 120-N 44：图中的恒星形成区域表现为一个巨大的气泡，由于风是从年轻的恒星处流出的，这个巨大的泡泡看起来就像是从图像中间吹出来的。钱德拉的数据在图中表现为紫色和粉红色，显示了这种超大气泡状的热气体；而哈勃的数据在图中表现为橙色和浅蓝色，显示了系统中的气体和灰尘。 图片制作：朱迪•施密特（CC BY-NC-SA）； 数据来源：NASA / CXC / SAO和NASA / STScI。 LMC N63A：在一颗巨大的恒星爆炸之后，它留下了能被钱德拉和哈勃观测到的超新星遗迹。钱德拉的数据在图中表现为红色、绿色和蓝色，显示了温度高达数百万度的气体以及超新星的爆炸波。遗迹右上角的浅棕色区域代表了密集的气体和尘埃云，这些星际物质反射了哈勃探测到的可见光。 下面一行，从左到右依次是： 图片制作：朱迪•施密特（CC BY-NC-SA）； 数据来源：NASA / CXC / SAO和NASA / STScI。 DEM L71：这一超新星遗迹也被称作SNR 0505.7-6752，它的钱德拉图像揭示了由发光的铁和硅（绿色和蓝色）组成的内部云层被外部的爆炸波（红色）所包围的景象。在白矮星毁灭过程中产生的外部爆炸波，也可以从哈勃望远镜的可见光数据（红色和白色）中看到。 图片制作：朱迪•施密特（CC BY-NC-SA）； 数据来源：NASA / CXC / SAO和NASA / STScI。 DEM L238：在这张DEM L238（也被称作SNR J0534.2-7033）的图像中，还发现了由白矮星爆炸引起的另一超新星遗迹。钱德拉的图像数据在图中表现为黄色、绿色和亮红色，显示了温度高达数百万度的气体；哈勃的数据则显示了系统中温度较低的气体，在红色遗迹的外围边界附近。 图片制作：朱迪•施密特（CC BY-NC-SA）； 数据来源：NASA / CXC / SAO和NASA / STScI。 N132D：不论是在大麦哲伦星云还是它的星系表亲小麦哲伦星云（Small Magellanic Cloud，SMC）中，N132D都是最亮的超新星遗迹，除此之外，N132D还属于一类非常罕见的超新星遗迹，具有较高的氧气含量。科学家认为，我们呼吸的大部分氧气，其来源就是N132D经历过的类似的爆炸。在这张图中，钱德拉的数据表现为紫色和绿色，哈勃的数据则表现为红色。 钱德拉项目由NASA的马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）负责管理，位于马萨诸塞州剑桥市的史密松天体物理台（Smithsonian Astrophysical Observatory）的钱德拉X射线中心负责控制相关的科学和飞行业务。 参考来源： [1]https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/combing-through-the-x-ray-files.html [2]https://chandra.harvard.edu/photo/2019/archives/