我们该去哪里营救迷失的钢铁侠?
2019-11-26 12:15

我们该去哪里营救迷失的钢铁侠?

本文来自公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者: 张水乃,题图来自:电影《复仇者联盟4:终局之战》


《复仇者联盟4:终局之战》在2019年上映,为22部漫威电影写下传奇终章。但是直到影片结束,并没有回答一个问题:片头中钢铁侠孤独漂浮在外太空的时候,到底在哪里?让我们在影片的设定下开个脑洞。


48小时航程,钢铁侠乘坐的飞船飞出了银河系


影片中的一个镜头:飞船舷窗外一个明亮的、有着清晰的旋臂结构和显著的恒星形成区域的旋涡星系为我们提供了寻找钢铁侠的线索。


首先,在银河系内部是看不到这么大的星系的。根据舷窗的视线张角,这个星系的视直径(视直径即视大小,也就是肉眼看见的物体的视角。单位为度、分、秒。天文学中可通过视直径和星体的实际直径来计算星体的距离)至少大于60度,而银河系周围视直径最大的大麦哲伦星系仅有6度大小。


其次,这个星系本身并非银河系,因为这个星系的旋臂结构与银河系更为紧致的多旋臂螺旋结构不同。


最后,这么大的视野中星系与飞船之间也没有看到任何明显的恒星,说明飞船不会在星系盘的内部。


图1  飞船舷窗看到的旋涡星系(图片来源:复联4电影)


事实上这个旋涡星系应该是距离他们最近的星系了。影片中钢铁侠说:“距离最近的便利店有上千光年”,他的意思便是距离这个星系的星系盘(星系盘是盘状星系,例如旋涡星系或透镜星系的一个组成部分。星系盘通常包含着星系的绝大部分恒星以及含有尘埃的冷气体)上的恒星有上千光年。


因为正常星系的半径在几千光年到几十万光年之间,根据舷窗的视线张角,飞船距离星系盘几千光年是合理的。而一个星系到其它星系的距离,基本是从百万光年起算的。比如距离我们银河系很近的大星系M31(仙女座大星云)距离银河系是250万光年。因此飞船旁边有更近的星系的可能性非常小。


48小时航程,钢铁侠乘坐的飞船飞出银河系并且到了另外一个星系附近,真是够远的。只可惜导航坏了的话,差之毫厘,谬以…千万光年,最终失去动力,只能漂泊在寂静的深空。


钢铁侠到底在哪个星系?


影片中钢铁侠他们最后被惊奇队长救了回来。根据惊队给弗瑞局长的BB机,信号范围覆盖几个星系,可以猜测惊队的活动范围主要还是在本星系群,偶尔到近邻的星系群、星系团,并没有跑到宇宙深处。星系群和星系团是由引力拘束而聚集在一起的系统;如果其中有五十个星系以上明亮如银河系,就称之为星系团,反之则是星系群。本星系群是包含银河系在内的50多个星系的群集,在里面惊队有比较大的几率(>10%)收到局长的信号。


图2  Laniakea超星系团中所包含的星系群和星系团。橙色标注的本星系群(Local Group)包含我们的银河系在内。蓝色框内包含了本星系群、玉夫座星系群、半人马座/M83星系群;星系M83即在第三个星系群中。(图片来源:维基百科)


当然惊队在紧急救人的时候可以扩大搜索范围,拉尼亚凯亚(Laniakea,夏威夷语:广袤不可测度的天堂)本超星系团似乎是个与之匹配的区域。拉尼亚凯亚本超星系团是包含我们银河系在内的更大的系统。Laniakea超星系团的尺度约为5亿光年(160 Mpc),包含13个Abell星系团及众多的星系群。图2中可以看到这些星系群/团的分布,而其中的每个点则表示一个星系。科学家通过测量其中星系的速度场分布,发现它们往中间聚集的趋势,才最终意识到这样的超星系团结构(图3)。超星系团之间则是类似于本地空洞(本星系群旁边几乎空无一物的空间,尺寸约2亿光年)的虚无之地。


图3  图中的线条表征速度场;中心的蓝点是银河系,橙色线圈起来的即是Laniakea超星系团;绿色表示物质聚集,蓝色表示物质稀疏。(图片来源:Tully, R.B., et al., 2014, Nature, 513, 71)


把范围限定到Laniakea超星系团后,从数百万的星系中根据已知条件:大小、形态、恒星形成率,大约能进一步缩小到数千个星系,精确搜索出飞船所在的位置依然是困难重重。幸运的是,这个星系还算特别,首先它是个旋涡星系,旋臂比较清晰,星系中心在右上舷窗比较亮的地方。其次旋臂上蓝色亮点密集,表明有较显著的恒星形成;尤其在右下舷窗的旋臂部分。


根据以上信息,我们由近到远先从本星系群中的旋涡星系中找起,根据星系的旋臂的数目、松紧、弥散、恒星形成程度,仅有的银河系、仙女座星系、三角座星系均可排除在外;然后是Maffei星系群、M81星系群、玉夫座星系群中也没有找到;幸运的是,在紧接着的半人马座/M83星系群中(图2中蓝色框标示的区域)寻找时,我们似乎一眼就找到了这个星系——南风车星系,M83!(可见于春季南天,是少数用双筒望远镜都可以观测到的星系之一,与北天的M101 风车星系齐名。)


如图4,M83旋臂上红色的结构是恒星诞生的区域,氢气被新诞生恒星的辐射激发而放出红光,蓝色的结构是年轻、大质量恒星构成的星团,旋臂上的尘埃带清晰可见,一路延伸至接近星系中心的地方。M83距离地球大约1500万光年,也与我们对惊队平时活动范围的估计一致。


图4  M83的完整图像,由日本Subaru望远镜、欧洲南方天文台宽视场成像仪、哈勃望远镜的观测合并而成。(图片来源:NAOJ, HST, and ESO,制作版权:Robert Gendler)


为了更加方便对比,我们将M83的图像稍微做了一些拉伸,并放到飞船的舷窗图像之后,如图5的示意图可见,右上舷窗的星系中心和旋臂,右下舷窗的恒星形成区域,左边舷窗的旋臂,与图1中的看到的星系有着非常好的匹配度。


从地球上观测,M83几乎是面对我们的,不过钢铁侠的飞船和星系中心的连线,似乎与星系盘有一定的夹角,大约在45度左右。如果能把倾斜角度调整正确,并使用肉眼可见的光学波段的话,匹配度可以更高。因此,钢铁侠有极大可能性是在M83旁边。


图5  用M83替换图1中舷窗外的星系(图片来源:复联4电影)


“超级风”太危险,赶紧救救钢铁侠吧!


M83是一个已知的星暴星系。星暴星系是一个星系中有巨大的恒星形成的暴发区,它的特征是红外光度明显高于光学光度。普通的星系比如银河系也形成恒星,但是形成的速度很慢。而在星暴星系中,恒星的形成是非常剧烈的。


我们可以用另一个星暴星系M82来说明。它的昵称是雪茄星系,从光学看起来,它的形状如同雪茄。这是因为它的星系盘是侧向对着我们的,与M83面对我们有所不同。但是,当我们通过红外和X射线来观测时,看到的是位于星系中心,且垂直于星系盘的双向喷流。这种“超级风”即是年轻恒星掀起的风暴,吹出去达上万光年,与星系本身的尺度相当。


图6 (左)雪茄星系M82的光学图像,图片来源:P. Challis (CfA), 1.2-m Telescope, Whipple Observatory。(右)M82的多波段合成图像,其中红绿蓝三色分别表示来自红外、光学和X射线的辐射。(图片来源:X射线来自NASA/CXC/JHU/D. Strickland;光学来自NASA/ESA/STScl/AURA/The Hubble Heritage Team;红外来自NASA/JPL-Caltech/Univ. of AZ/C. Engelbracht。)


M82中心的年轻恒星吹出大量星风,而超新星爆发则提供了足够的能量,给了这些星风以每秒一千公里以上的速度,最终混合形成了“超级风”的风暴。“超级风”中的热等离子体,即使膨胀到上万光年的距离,依然维持着六百万度左右的高温,可以从图6中蓝色表示的X射线辐射看到。


“超级风”同时从星系中裹挟大量的冷气体出来,可以从红色区域显示的红外辐射看到。热等离子体和冷气体的交互作用也产生相应的X射线辐射。而像“超级风”这样的结构,还会把星系中心的宇宙线粒子运输到更大的尺度。


钢铁侠飞船所处的位置和角度,会刚好被M83的“超级风”严重波及。无论是每秒一千公里以上的等离子体外流,或者其中携带的超高能宇宙射线,都似乎会置他们于危险的境地!


现在我们已经找到了钢铁侠,惊奇队长赶快救回钢铁侠他们吧!


图7  光芒四射的惊奇队长托举飞船带回地球(图片来源:复联4电影)


本文来自公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者: 张水乃(作者单位:  中国科学院紫金山天文台)

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