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清華大學天文所參與之國際天文團隊利用美國太空總署太空望遠鏡於仙女座大星系(M31)發現疑似暗物質

本校天文所參與之國際天文團隊利用美國太空總署太空望遠鏡於仙女座大星系(M31)發現疑似暗物質

天文學家使用美國太空總署費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope) 所觀測到的資料,首度發現在本銀河系附近的仙女座大星系中央,有可能存在科學家一直在尋找的暗物質(dark matter)。他們所發現的訊號,同樣存在於我們所在的銀河系中心。此發現主要為目前在雲南天文台任職的侯賢博士,於本校天文所任職時所完成的研究成果。該研究隸屬於費米研究團隊,日前已於美國太空總署網站發佈相關新聞。

費米望遠鏡是觀測伽瑪射線波段的太空望遠鏡,伽瑪射線則是電磁波中能量最高並且波長最短的波段。其在宇宙中通常來自能量最強的光源,並且多半產自宇宙射線與星際間氣體或是光的交互作用。這些宇宙射線是由於運動中的粒子以接近光速運動所產生,常發現於各星系中。根據他們的研究推論,在仙女座大星系(又稱作M31)中,這些高能的射線居然集中在星系的中央,而非如之前認為的散佈在整個星系中。發現這樣的現象之所以會特別引起國際科學界的注意,是因為科學家一般相信,在星系最中央的區域,很有可能存在較多的暗物質,這些高能的光波,可能正是來自於暗物質,而暗物質正是目前所認為在宇宙中占很大比例的一部份的物質,並且也是科學家亟欲了解及研究其性質的。因此在這樣小的區域發現如此訊號特別使人期待與興奮。而同樣的現象,之前只曾經在我們的銀河系中央發現過。

團隊領導成員之一同時為本校天文所江國興教授也指出:『這個訊號也很可能是來自仙女座星系中央群聚的脈衝星(pulsars)。』脈衝星是指快速旋轉的中子星,這些中子星的質量可以達到太陽的兩倍,同時密度也高更多。如果把我們地球質量大小的東西變成跟中子星密度一樣,會縮小到比台北盆地還小,因此會造成一勺中子星的物質,在地球上可達大約十億噸重!而有些脈衝星主要發出的能量正是伽瑪射線。雖然仙女座星系距離我們大約兩百五十萬光年遠,因此無法觀測到個別的脈衝星,但天文學家未來可以利用X光以及無線電波望遠鏡的資料,進一步了解其真正的性質。

這個關於仙女座大星系的高能射線研究,還可以幫助科學家了解宇宙射線的生命週期以及其與恆星形成的關聯。因為以往認為宇宙射線照理應是與恆星形成有關,而這篇論文的結果,卻發現在本來該有很多恆星形成的星系盤面上發現的不多,這可能代表該星系產生宇宙射線的方式不見得是由恆星形成,或者散逸掉的速度比原來所估計的快,以致觀測的伽瑪射線的量較少。

本研究主要作者侯賢博士表示:『我們目前尚未完全了解宇宙射線在星系中所扮演的角色,或者是如何在星系中傳播,M31則可以讓我們了解宇宙射線在地球所在的本銀河系以外的狀況。』在觀測本銀河系時,因為我們身處在此星系中,往往會被當中的雲氣阻擋,看不到自己的全貌。但M31可以讓我們可以由外部觀測,因此反而可以了解到幾乎整個星系的狀況,也讓我們可以反推自己星系的狀況。而如今在M31也發現類似本銀河系所看到的現象,讓未來天文學家可以根據所觀測到的M31的狀況,反推我們自己銀河系的性質。

這個研究結果讓人興奮,並將有後續關於此新發現波源的其他觀測。我們期盼未來能繼續得到更多關於這兩個星系,甚至是對暗物質性質的了解。關於宇宙在伽瑪射線波段的研究仍有許多值得探索的地方,當我們所知道的越多,就能將其套用在我們對自己星系的了解上。

此研究發現已經刊登於最近一期的國際天文學的研究期刊『天文物理期刊 (The Astrophysical Journal)』上(http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aa5c3d )。費米望遠鏡隸屬於美國太空總署,其主要致力於天文物理及粒子物理的相關研究。該望遠鏡是由美國能源部以及包括法國、德國、義大利、日本、瑞士以及美國的天文學界共同合作的計劃。

圖中黃白色的區域是費米望遠鏡在仙女座星系(M31)中心區域所觀測到的伽瑪射線源,科學家推論其可能是由中心區域群聚的脈衝星或甚至是暗物質所造成。

圖片來源: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration and Bill Schoening, Vanessa Harvey/REU program/NOAO/AURA/NS

 

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