X射線迴波揭開銀河系核心隱藏的3D景觀

科學家們首次建立了銀河系超大質量黑洞附近恆星形成分子雲的3D地圖，揭示了過去射手座A*（Sgr A*）的耀斑如何與周圍氣體相互作用。康乃狄克大學的研究人員運用突破性的X射線斷層攝影技術，重建了這些分子雲的隱藏結構，讓我們得以一窺它們在恆星形成和星系演化中所扮演的角色。

銀河系中心是一個極其紊亂的環境，那裡的氣體溫度、密度和運動強度大約是星系其他部分的十倍。偶爾，流入的氣體到達Sgr A*，引發強大的X射線耀斑，這些耀斑向四面八方輻射。這些耀斑透過一種稱為螢光的過程與附近的分子雲（即新恆星形成的緻密氣體雲）相互作用。隨著X射線在太空中傳播，它會隨時間照亮這些分子雲的不同層，就像X射線掃描揭示內部結構一樣。

康乃狄克大學物理學研究員Danya Alboslani '24（CLAS）和博士後研究員Samantha Brunker博士，在物理學副教授Cara Battersby領導的銀河系實驗室中，開發了一種新的X射線斷層攝影方法，製作了兩個被稱為「石雲」和「棒雲」的銀河系中心分子雲的3D地圖。這些地圖是首次以三維空間呈現銀河系中心分子雲。Alboslani在1月14日於馬裡蘭州國家港舉行的美國天文學會（AAS）第245次會議上，於她的報告「Sgr A*的X射線迴波揭示銀河系中心分子雲的3D結構」中詳細介紹了這項研究。目前已有兩篇論文提交給AAS期刊，並可在arXiv上查閱。

Alboslani表示，我們可以研究銀河系中央分子區（CMZ）的過程，並利用研究結果瞭解其他極端環境。雖然許多遙遠星系也有類似的環境，但它們距離太遠，無法詳細研究。透過深入瞭解我們自己的星系，我們也能瞭解那些用現今望遠鏡無法解析的遙遠星系。

她解釋說，Sgr A*過去曾經歷過劇烈活動期，發射出X射線耀斑。當那些X射線耀斑首次到達地球時，我們還沒有X射線望遠鏡，但X射線與CMZ中的分子雲發生了相互作用。分子雲吸收來自Sgr A*的X射線，然後向四面八方重新發射X射線。其中一些X射線朝向我們而來，並且有一個非常特定的能量水平，即6.4電子伏特的中性鐵線，已被發現與分子氣體的緻密部分相關。

Alboslani的論文聚焦於一個稱為「石雲」的銀河系中心分子雲，而Brunker的論文則研究「棒雲」。Brunker指出，整體形態的一致性，特別是在X射線和分子譜線資料中最緻密區域的關聯性非常顯著，這是首次在如此小的尺度上得到證實。

Alboslani和Brunker利用美國國家航空暨太空總署（NASA）錢德拉X射線天文臺長達二十年的資料，建立了「石雲」和「棒雲」分子雲的3D模型。Battersby解釋說，雖然我們通常只能看到太空中物體的兩個空間維度，但X射線斷層攝影方法讓我們能夠測量分子雲的第三個維度，因為我們可以看到X射線隨時間照亮分子雲的各個切片。由於X射線以光速傳播，我們可以利用照亮之間的時間延遲來計算第三個空間維度。

此外，他們還使用了次毫米波陣列和赫歇爾太空天文臺的資料，將X射線迴波中看到的結構與其他波長中看到的結構進行比較。由於X射線資料不是連續收集的，因此在次毫米波長中看到的一些結構在X射線中看不到。他們利用這些缺失的結構來限制照亮「石雲」的X射線耀斑事件的持續時間。Brunker表示，我們可以估計在X射線中看不到的分子結構的大小，並透過對一系列耀斑長度下我們能夠觀測到的情況進行建模，從而對X射線耀斑的持續時間施加限制。能夠再現具有相似大小「缺失結構」觀測結果的模型表明，X射線耀斑的持續時間不太可能超過4 - 5個月。

Battersby指出，雖然我們從二維資料中對分子雲有了很多瞭解，但增加的第三個維度讓我們能夠更詳細地瞭解新恆星誕生的物理學。此外，這些觀測結果對我們星系中心的整體幾何形狀以及Sgr A*過去的耀斑活動施加了關鍵限制，這些都是現代天體物理學中的核心未解問題。

Alboslani認為，像這種對分子雲進行3D建模的開創性方法，正在幫助研究人員獲取更多有關恆星形成條件的資訊。這項工作的另一個令人興奮的方面是，它提供了一種使用檔案資料的新方法。未來發射的新儀器和望遠鏡將為天文學家提供更高的解析度，使我們能夠更詳細地研究天體。然而，我們也可以回顧過去，對天體進行更長時間的研究，以提取新的資訊，而這個專案正是這樣做的。

參考文獻：1. 3D MC I: X-ray Tomography Begins to Unravel the 3-D Structure of a Molecular Cloud in our Galaxy's Center by Samantha W. Brunker, Cara Battersby, Danya Alboslani, Maïca Clavel, Daniel L. Walker, Dani Lipman, H Perry Hatchfield and Régis Terrier, 13 January 2025, Astrophysics > Astrophysics of Galaxies.arXiv:2501.077172. 3D MC II: X ray echoes reveal a clumpy molecular cloud in the CMZ by Danya Alboslani, Cara Battersby, Samantha Brunker, Maïca Clavel, Daniel Walker and Dani Lipman, 13 January 2025, Astrophysics > Astrophysics of Galaxies.arXiv:2501.07669

這項研究得到了美國國家航空暨太空總署（Grant No. 80NSSC22K1125）、康乃狄克大學暑期本科生研究基金獎、本科生研究辦公室的研究旅行獎以及法國國家太空研究中心（CNES）的資助。