新穎技術把Chandra和ALMA望遠鏡的高畫質圖像變成「晃蕩氣體」測速器！
(中央研究院天文及天文物理研究所研究成果，發表時間：2018年10月18日)
幾乎所有的星系團都經歷過合併。星系合併時，透過X射線圖像，通常能觀察到特定的「螺旋」形狀特徵。這種螺旋，其實是氣體運動造成的（運動則隨合併而產生），天文學家稱為「晃蕩氣體」。在日常生活中不難觀察到類似晃動氣體的現象，如果你在一個高腳杯裡裝點水輕輕搖晃它，會看到水流隨著玻璃杯一起在轉動。由於這種晃蕩氣體的運動速度究竟是多少，在天文物理上有其重要意涵，所以一直以來，研究星系團的天文學者都非常想知道答案。來自台灣和日本的研究團隊現在研究出一種新技術，藉由迄今最好的太空和地面望遠鏡圖像，終於把「晃蕩氣體」的速度測出來了。答案是：「次音速！」
該研究團隊的主持人，中央研究院天文及天文物理研究所的上田周太朗博士說：「星系合併事件，是整個星系團演化裡最重要的一個因素。因此，測量『晃蕩氣體』的速度不只是有助於認識這種氣體運動起源在哪裡，對理解星系團演化也至關重要。然而，先前因為測量上的困難，我們對『晃蕩氣體』的速度是多少，了解非常有限，學界到目前為止，一共只發表過幾個零星的結果。現在因為優異的錢卓X射線望遠鏡和ALMA毫米波望遠鏡的圖像，我們得以成功開發出一種新技術－－藉由結合兩者的圖像並對遙遠星系團內氣體的微小擾動加以計算，我們總算把這個重要的難題解開了。」
測量氣體運動對天文學家來說一向重要，因為運動不僅是物理基本量，也是天體的一項重要可觀測數值。天體的運動可直接告訴我們，在該「系統」中發生過的故事。因此，能測量到運動就能進一步揭示：該運動是從哪裡發生的，起源處的性質是什麼，其中主導著運動的是什麼樣的機制，以及天體本身的性質。
以星系團來說，目前已找到的不少特徵可能暗示著星系團內介質的運動，這些特徵也被認為和星系團演化有關聯。然而，由於X射線觀測衛星配備的CCD相機「能量解析度」不足，致使星系團內介質的運動很難測量得到。這使得天文學家對星系團內介質的運動速度了解受很大限制，即便已知的星系團數量已高達數百個，且過去二十年間已進行大量觀測，對運動速度有所著墨的，僅只限於零星幾個少數樣本。事實上，對星系團內介質的運動進行測量，挑戰性的確非常高，此外，在X射線波段，只有高度游離鐵原子的發射譜線的都卜勒位移能用來測量速度，因此，研究人員只能測量在視直線上的合併星系團內介質的運動速度。
這樣的窘境最近略為緩解，因為已有一種新方法提出，可藉研究X射線圖像中的擾動來測量速度，但目前基於該方法的研究成果仍相當有限。因此，星系團內介質運動的測量迄今仍是相關領域最熱門的話題之一，尤其它的速度究竟是多少，是認識星系團性質的最重要物理量。
取得嶄新結果的這支團隊決定用錢卓和ALMA望遠鏡來幫星系團內介質測速，領隊的上田博士補充說：「當然，我們非要用錢卓X射線觀測站和ALMA望遠鏡的圖像不可，因為只有它們才能提供我們所需要的精細角分辨率。我們需要觀測的是位於數十億光年外遙遠星系團，那非常小。」
圖一：這是「錢卓太空觀測站」以「RXJ 1347.5-1145星系團」為觀測標的，取得該星系團之「X射線表面亮度圖像」。圖像顯示的是星系團內介質的電子分佈密度：中心區的電子密度（本圖像中以紅色和較為明亮的顏色標示）遠高於星系團的外圍區（在圖中顯示為藍色和較深色的部分）。
請注意，圖中的顏色是人為加上的，僅只表示電子密度的高低。綠色十字標示的是星系團中心位置。
錢卓X射線太空望遠鏡取得的這張圖像，橫軸和縱軸略顯對稱，微微朝左下側拉長。這個拉長是和星系團下方的一個子結構相關，子結構的外觀特徵，在圖二中清晰可辨。
圖像版權：Chandra /Ueda et al.
圖二：應用本團隊所開發的新穎技術後所找到的是圖一的「餘留像」（或「殘像」；residual image），即星系團之「子結構」。得到這種殘像的方法在概念上有點類似像譬如說如果你能辨識出想消掉的前景是哪些，（用公式演算）把它減掉，然後再予以成像一次，便能讓後面本來被遮住的東西露出來。經過這個處理，星系團中心區域顯現出來的外觀特徵呈螺旋狀，那也是「晃蕩氣體」的證據。
一般認為晃蕩氣體圍繞著星系團中心運動。
另外，在左下角有個以紅色標示出的結構，可能是星系團合併的證據。
圖像版權：Chandra /Ueda et al.
圖三是ALMA望遠鏡所拍攝的圖像，用來顯示「RXJ 1347.5-1145星系團」的Sunyaev-Zel'dovich效應，以藍色和較深顏色顯示。請注意，圖中的顏色是人為加上的，僅只表示Sunyaev-Zel'dovich效應的強弱。
整個圖像的形態和圖一的X射線表面亮度所顯示的外觀特徵近似。
綠色十字標示的是星系團的中心位置。
圖像版權：ALMA /Ueda et al.
圖四：這是應用了與圖二用的相同的新穎技術法後，取得的「圖三的餘留像」（相當於「圖三的有些遮蔽物被減除後剩下的東西」）。
有趣的是，圖四在星系團中心區域並沒有螺旋特徵。
也正因為X射線與Sunyaev-Zel'dovich效應的的餘留像兩者間具有這種差異，所以提供我們關於晃蕩氣體速度為何，這是一項重要資訊。
此外，左下側有和圖二相同的特徵，可能是星系團合併的證據。
圖像版權：ALMA /Ueda et al.
動畫一：是以圖一和圖二為素材製作，可以顯示出RXJ 1347.5-1145星系團內的情形。（開始時是圖一，然後漸漸加疊圖二）。說明將新穎技術應用在這個星系團的X射線表面亮度資料的前與後，其所見之不同。
圖像版權：Chandra/Ueda et.al
連結： https://youtu.be/-CeNeYh3tk8
影片編輯：ASIAA/黃珞文
動畫二：以圖三和圖四為素材製作，可以顯示出RXJ 1347.5-1145星系團內的情形。（開始時是圖三，然後漸漸加疊圖四），也說明了新穎技術應用在這個星系團的SZ效應資料之前和之後，因為一些遮蔽物減除了，所見的也就不同了。
圖像版權：ALMA/Ueda et.al
連結：https://youtu.be/xEDNhpoQjXI
影片編輯：ASIAA/黃珞文
本文的第二作者，日本東邦大學的北山 哲教授解釋：「這是第一次，我們成功估算出遙遠星系團內氣體速度，我們的方法是，結合X射線和Sunyaev-Zel'dovich效應（SZE），並求得狀態方程的解。最後獲得的是一項直接觀測證據，證明離地球48億光年遠的星系團中的晃蕩氣體運動速度略慢於音速－－也就是「次音速」，這表明其晃動運動相當平緩，壓力狀態幾乎處於平衡態。我們預計，一旦新的ALMA 第一頻段接收機（由ASIAA主導設計並生產製造中）全數完成時，可以對大量的星系團進行相同的測量。」
中研院天文所研究員梅津敬一說：「了解星系團的物理狀態和平衡程度性質，對無論是星系團物理甚或是宇宙學研究，都有不可或缺的重要性，因為，星系團是形成在宇宙中的最龐大的一種天體。這項研究為認識星系團中的氣體開啟一扇新窗戶，該團隊所開發的新技術從今以後，成為天文學家可觀測的一個新維度，有利於探索星系團的性質和演化。」
相關詞彙參考解釋
星系團
是宇宙中因重力束縛而聚集在一起，最大型的一類天體。在星系團的重力下所聚集起來的約有成百上千個星系，這些星系主要由暗物質形成，質量範圍大約為10 ^ 14~10 ^ 15太陽質量（或10 ^ 47~10 ^ 48克）。大約50年前，X射線天文學家發現，星系團中大部分一般物質都是光學上看不太到，極高熱的（10 ^ 7~10 ^ 8K）的電漿物質，那就是所謂的星系團內介質，這種介質的總質量是星系總質量的幾倍之多。因此，在這個主要結構體都是暗物質的我們的宇宙，星系團系統對認識物質究竟如何演化是非常重要的一環。
錢卓X射線太空觀測站 (Chandra )
錢卓X射線太空觀測站是於1999年7月23日發射升空的幾個X射線衛星之一，由美國航太總署NASA開發，也是NASA的一項旗艦級任務。在幾個X射線太空衛星中，錢卓具有最好的角分辨率，想獲得發出X射線天體的高質量圖像，極高的角分辨率是必備的。
ALMA
ALMA的全名是「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡」，是位於南美洲智利共和國阿塔卡瑪沙漠中的一個天文電波干涉儀，由歐洲、美國、加拿大、日本、臺灣、韓國，和地主國智利等國際合作夥伴共同運營。由於ALMA優異的成像能力和靈敏度，此團隊已成功取得史上第一張觀測到Sunyaev-Zel'dovich效應的高分辨率圖像，圖像品質足堪媲美錢卓太空望遠鏡的X射線圖像。中研院天文所一直致力於開發ALMA 第一頻段接收機，未來可望以高靈敏度及高分辨率觀測Sunyaev-Zel'dovich效應，因此，天文學家正期待ALMA 第一頻段接收機的全部完工及全面開始運作。( https://www.almaobservatory.org/en/home/ 及 https://www.asiaa.sinica.edu.tw/project/alma.php )
桑尼也夫－則多維區效應（The Sunyaev-Zel'dovich effect ）
當宇宙微波背景輻射的光子穿過星系團時，它們會和星系團團內介質中的高能電子相互作用，然後這些光子的能量會改變，「原始光子」和「改變光子」間的前後差異，在宇宙微波背景輻射光譜中能看得到。這種現象在距今大約50年前由「拉希德·桑尼也夫」和「雅科夫·則多維區」這兩位俄羅斯天文學家，率先預測並提出，隨後得到證實，因此又稱為「桑尼也夫－則多維區效應」，以紀念兩位學者，有時簡稱為SZ效應。這種效應對星系團內介質的壓力變化相當敏感，因此，對溫度超過1億K的高熱團內介質，是很好的示踪劑。（另可參考ALMA兒童新聞：星系團裡的熱氣體讓 ALMA 星空破個洞 對這個現象的說明）
RXJ 1347.5-1145星系團
RXJ 1347.5-1145這串數字是天體編號，是宇宙中最大的星系團之一。同時它還因為「正處於合併時期中」而聞名－－這意味著該星系團正處在一個急劇增長時期，天文學家還認為，這個星系團是揭示星系團如何演化以及得悉星系團團內介質高能物理現象的一個重要天文觀測目標。天文史上，首次成功用ALMA觀測到這個星系團之Sunyaev-Zel'dovich效應的正是本團隊（主導該次觀測的北山 哲博士為本篇論文第二作者）。
動畫一的 GIF
圖像版權：Chandra/Ueda et.al
動畫二的 GIF
圖像版權：ALMA/Ueda et.al
更多資訊：
本研究論文發表於2018年10月10日出版的天文物理期刊，篇名： "A Cool Core Disturbed: Observational Evidence for Coexistence of Subsonic Sloshing Gas and Stripped Shock-heated Gas around the Core of RXJ1347.5-1145" 。第一作者是上田周太朗。
團隊名單為：Shutaro Ueda (ASIAA, Taiwan), Tetsu Kitayama (Toho University), Masamune Oguri (The University of Tokyo), Eiichiro Komatsu (Max-Planck Institute for Astrophysics / Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, The University of Tokyo), Takuya Akahori (Kagoshima University), Daisuke Iono (National Astronomical Observatory of Japan / SOKENDAI), Takuma Izumi (The University of Tokyo), Ryohei Kawabe (National Astronomical Observatory of Japan / SOKENDAI / The University of Tokyo), Kotaro Kohno (The University of Tokyo), Hiroshi Matsuo (National Astronomical Observatory of Japan / SOKENDAI)
相關連結：https://www.asiaa.sinica.edu.tw/news/sciencehighlight.php