我們已經(jīng)看到牛奶在咖啡中形成的復(fù)雜圖案，以及蜂蜜用勺子攪拌時形成光滑得多的圖案。以下哪一種情況最能描述星系團中熱氣體的行為？

通過回答這個問題，美國宇航局錢德拉x射線天文臺一項新研究加深了我們對星系團的理解，星系團是宇宙中最大由引力維系在一起的結(jié)構(gòu)。星系團由三個主要組成部分組成：單個星系、填充星系間空間的數(shù)百萬度氣體，以及暗物質(zhì)。

一組天文學(xué)家利用錢德拉對后發(fā)星系團的一系列長時間觀測(總計約兩周)，在空間尺度上探測氣體特性，其距離相當(dāng)于粒子相互碰撞之間的典型距離。這項測量幫助了解了昏迷狀態(tài)下熱氣體的粘度(粘度是指氣體塊相互之間對運動的阻力的技術(shù)術(shù)語)。領(lǐng)導(dǎo)這項研究的芝加哥大學(xué)Irina Zhuravleva說：發(fā)現(xiàn)表明昏迷狀態(tài)下的氣體粘度遠低于預(yù)期。這意味著在小尺度的星系團熱氣體中很容易形成湍流，類似于咖啡杯中的漩渦運動。熱氣體在錢德拉觀測到的x射線中發(fā)光，已知這些氣體的質(zhì)量是星系團中所有組合星系的6倍。

盡管后發(fā)星系團中含有大量的熱氣體，但密度非常低，以至于粒子之間不經(jīng)常相互作用。如此低密度的熱氣體無法在地球上的實驗室中進行研究，因此科學(xué)家們必須依賴宇宙實驗室，比如后發(fā)星系間氣體所提供的實驗室。用錢德拉探測氣體的密度是否在能探測到的最小尺度上是平滑的，發(fā)現(xiàn)它不是，這表明即使在這些相對較小的尺度上也存在湍流，而且粘度很低。為了得出這些結(jié)論，研究小組集中在遠離后發(fā)星系團中心的一個區(qū)域，那里的熱氣體密度甚至比它在中心的密度還要低。

在這里，這些粒子要與另一個粒子相互作用，就必須經(jīng)過更長的距離——平均約10萬光年。這個距離足夠大，可以用錢德拉探測。聯(lián)合作者、英國牛津大學(xué)的亞歷山大·謝科奇因(Alexander Schekochihin)說：也許最令人驚訝的方面之一是，我們能夠在3.2億光年之外的物體中，在與原子粒子相互作用相關(guān)的尺度上研究物理學(xué)。這樣的觀測為利用星系團作為實驗室，來研究熱氣體的基本性質(zhì)提供了巨大機會。為什么后發(fā)星系團熱氣體的粘度如此之低？一種解釋是星團磁場中存在小規(guī)模不規(guī)則現(xiàn)象。

這些不規(guī)則現(xiàn)象會使熱氣體中的粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，熱氣體由帶電粒子(主要是電子和質(zhì)子)組成。這些偏轉(zhuǎn)降低了粒子自由運動的距離，進而降低了氣體粘度。了解星系團中氣體的黏度，以及湍流如何容易發(fā)展，有助于科學(xué)家了解重要現(xiàn)象的影響，例如與其他星系團和星系群的碰撞和合并。這些強大事件產(chǎn)生的湍流可以作為熱源，阻止星團中的熱氣體冷卻形成數(shù)十億顆新恒星。研究人員選擇昏迷團簇進行這項研究是因為它具有最佳的物理特性組合。對于溫度較高、密度較低的氣體，粒子間的平均碰撞距離較高。

后發(fā)星系團比附近其他最亮的星系團更熱，而且密度相對較低，不像英仙座和室女座等其他明亮星系團的冷而且致密核心。這讓天文學(xué)家有機會利用后發(fā)星系作為研究等離子體物理的實驗室。未來直接測量氣體運動速度的x射線成像和光譜任務(wù)(XRISM)，一個日本探索機構(gòu)和美國宇航局之間的合作任務(wù)，將提供更多關(guān)于星團動力學(xué)的細節(jié)，使我們能夠?qū)υS多附近的星團進行強有力研究，XRISM預(yù)計將在本世紀20年代初推出，其研究成果發(fā)表在《自然天文學(xué)》上。

博科園｜研究/l來自：錢德拉X射線中心

參考期刊《自然天文學(xué)》

DOI: 10.1038/s41550-019-0794-z

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