无碰撞激波：星系团“约会法则”

阿贝尔2146（Abell2146）中两个的星系团发生碰撞，天文学家从中窥见考察太阳系中“无碰撞激波”的线索。

两个巨型星系团撞向彼此，由此引发的庞大激波在太空中延伸了160万光年。

基于美国航空航天局钱德拉X射线天文台的观测结果，天文学家得以一窥遍布数千星系、具有强大影响力的碰撞过程。

星系仅占星系团总质量的很小一部分，构成星系团总质量的主要成分是庞大的暗物质晕和炙热的气体云，这种气体云包裹着星系团中的星系，被称为星团内介质。气体云的热辐射可达数亿摄氏度，这使得它发出的X射线十分耀眼。

阿贝尔2146距银河系28亿光年，一对星系团在此剧烈碰撞。在钱德拉X射线天文台所捕获的观测图中，炙热的星团内气体以伪色（蓝色）标出。（图片来源：X射线：NASA/CXC/滑铁卢大学/H. Russell等人;光学：NASA/STScI）

当两个星系团相遇时，它们之中的星系擦肩而过，这一过程相对平和，然而，发生在星团内介质之间的碰撞远远激烈的多，巨大的激波因此而产生。

阿贝尔2146，由钱德拉X射线观测到的这一星系团碰撞距离我们28亿光年，它的激波前沿足够明亮，是目前宇宙中可进一步加以研究的三个星系团碰撞之一，另外两个分别是子弹星系团（Bullet Cluster）和阿贝尔520（Abell 520）。

借助钱德拉X射线望远镜，来自英国诺丁汉大学的天文学家海伦·罗素（Helen Russell）与其团队对阿贝尔2146进行了为期23天的观测，这是目前对星系团激波最为深入的一次观察。

在阿贝尔2146中，一个星系团正坠入另一个星系团，这个过程中产生了两个激波：形似船头在水面移动、位于前缘的“弓形激波”和位于其后的“上游激波”。

在星系团坠入前，气体受到压缩，这是对弓形激波成因的简单理解。上游激波的形成更为复杂：星系团碰撞时产生了冲压力剥离现象，也就是说，在星系团坠入的过程中，气体被抛出并落下，与穿过它的原生气体相互作用，由此形成了上游激波。

阿贝尔2146星系团碰撞示意图，上游激波和弓形激波的位置在下落星系团的前缘被标出。 （图片来源：X射线：NASA/CXC/诺丁汉大学/H. Russell等人;光学：NAOJ/Subaru）

罗素及其团队测量了激波的长度，其中具有代表性的弓形激波长160万光年。此外，他们首次测量了激波的宽度。从理论上而言，由于形成时间晚于弓形激波，上游激波的宽度会更窄，而钱德拉X射线的观测印证了这一猜想：弓形激波的宽度为55000光年，而上游激波的宽度为35000光年。

使用钱德拉X射线望远镜，罗素及其团队也测量了上游激波中的气体所具有的能量，这种能量可以被大致理解为气体的温度，上游激波中的气体能量达6千至8千电子伏特。激波激发了电子的压缩效应，这似乎是气体获得能量的主要原因。值得注意的是，由于气体相当分散，单个原子和分子之间的碰撞并不常见。

根据钱德拉X射线望远镜的观测数据，星团内介质中的粒子以每秒约290公里（650000英里/小时）的速度随机运动，在与另一个粒子相遇之前，平均来看，它们可以跨越50000光年。因此，虽然钱德拉X射线望远镜观测到了由粒子碰撞产生的二次加热现象，但这种加热过程应当是十分缓慢的，持续了超过2亿年。

在星系团碰撞中，绝大部分的能量通过“无碰撞”激波产生，这一点得到了确证。基于此，我们可以将太阳系中规模更小的碰撞事件与之进行比较。以太阳风为例，当它与地球等障碍物相遇时，无碰撞激波的产生会干扰地球磁场，并加速带电粒子，从而引发地磁风暴。那么，星系团、太阳风、恒星风中的碰撞是如何发生的？通过比较规模截然不同的无碰撞激波，研究者们或许能够洞察其中的物理学原理。

该研究成果已被《皇家天文学会月刊》杂志录用，预印本可通过 arXiv 数据库获取。

BY: Keith Cooper

FY: 奇了个怪

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