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名古屋大學發現匯入銀河系的氫雲源自銀河系外的有力證據

2024年04月18日 海洋宇宙

名古屋大學研究生院理學系研究科的早川貴敬研究員和福井康雄名譽教授的研究團隊發表研究成果稱,成功轉列出了落向地球所在銀河系的氣體雲(高速雲和中速雲)中的重元素數量分佈的全天球精確地圖,並揭示了源自銀河系外的氫雲匯入銀河系的可能性。該研究有望推動銀河系的形成和演化研究邁向新階段。相關研究成果已於2月28日發表在英國皇家天文學會月刊《Royal Astronomical Society》上。

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圖:中速雲的重元素數量地圖(上圖僅展示了全天球的1/4)。以太陽系周圍的氣體云爲基準,只含有少量重元素的氣體雲被標記爲藍色,含有過量重元素的氣體雲被標記爲紅色。圓圈表示的是以前運用原子吸收光譜法測量過的區域。由此可見本研究獲得的資訊量有了飛躍性地增加。(供圖:名古屋大學、早川貴敬研究員和福井康雄名譽教授)。本圖的使用條款遵循知識共用許可協議(Creative Commons license,CC BY 4.0)之規定。

太陽系中觀測到的中性氫雲絕大多數追隨銀河系的旋轉運動,但也有一部分呈現出嚴重偏差,其中速度特別高、達到約100公里/秒以上的氫雲被稱爲高速雲,速度低於此值的氫雲被稱爲中速雲。一般認爲,中速雲的高度可達數千光年,高速雲的高度可達數萬光年。

除暗物質外,銀河系主要由星體和大量的氣體雲組成,而氣體雲絕大部分由氫構成。

透過使用波長21cm的電波觀測,1960年代提出了一種理論,認爲在銀河系銀盤部分乃至其外圍存在大量氫雲,其中大部分被銀河的重力所吸引,並積聚到銀河之上。同時期提出的另一種解釋則是高速雲和中速雲理論,該理論提出「銀道噴流模式(Galactic Fountain)」,認爲銀河圓盤附近的氣體雲是被大質量星體爆炸等噴射出來的,並再次落入銀河中形成的。

氣體雲中的微量重元素(氫和氦之外的元素)只能透過恆星内部的核融合反應或超新星爆炸形成。重元素在銀河系内氣體雲中的含量較高,而在銀河系外飛來的氣體雲中的含量則較低。在討論哪種理論正確時,氣體雲中的重元素數量(重元素/氫比)被認爲是一個關鍵的資訊。在1990年代到2000年前後,一項利用原子吸收光譜法的測量研究報告稱,中速雲含有與太陽系周圍氣體雲處於同一水平的重元素數量,具有類似噴流模式的物質循環功能;而高速雲含有約爲前者十分之一的重元素數量,是從銀河系外落入銀河系内的氣體雲。另一方面,由於這種測量從原理上以明亮的銀河或星體爲光源,光源所在的幾十個位置導致測量極限,其他區域的情況一直不清楚,因此無法對氫雲的來源給出明確答案。

福井名譽教授等人從2015年前後加入了普朗克人造衛星國際合作團隊,成功開發出了一種精確量化宇宙塵埃和星際氣體雲的中性氫原子的方法。

因此,在本研究中,早川研究員利用21cm譜線觀測和普朗克人造衛星捕捉到的宇宙塵埃的兩種高解析度全天球地圖,針對高速雲、低速雲以及作爲比較基準的太陽系周圍的氣體雲,透過引入先進的數學方法推導出了重元素/氫比,併成功轉列出了新的全天球地圖。

研究人員對獲得的資訊進行統計分析後發現,大部分中速雲的重元素數量較低,而高速雲的重元素數量甚至更低。中速雲所含的許多成分其數量不足太陽周圍成分的三分之一。這表明中速雲可能是源自銀河系外的原始氣體雲。如果說中速雲和高速雲都來自銀河系外,那麼現在仍可能有來自銀河系外的氫雲正在匯入銀河系。本研究證明,此前「中速雲的重元素數量與太陽系周圍的氣體雲基本相同」的定論是錯誤的。

原文:《科學新聞》
翻譯:JST客觀日本編輯部

【論文資訊】
雜誌:Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
論文:Dust-to-neutral gas ratio of the intermediate- and high-velocity HI clouds derived based on the sub-mm dust emission for the whole sky
DOI:10.1093/mnras/stae302