鳳凰座星系團（Phoenix Cluster）是一個由眾多星系組成、受重力束縛的龐大結構，距離地球約 58 億光年。其核心擁有一個質量約為 100 億倍太陽質量的超大質量黑洞，卻仍保持極高的恆星形成速率，這與典型星系團的情況不同，長期以來令天文學家困惑。一般而言，在其他星系團中，核心的超大質量黑洞會釋放高能粒子與輻射，阻止氣體冷卻至足以形成恆星的溫度。然而，透過詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測，科學家終於解開了為何這個巨型星系團能以如此高的速率形成恆星的謎團。
研究人員長期試圖理解鳳凰座星系團內的氣體流動，以探究其高速率恆星形成的驅動機制。其中最令人困惑的現象之一是極端氣體冷卻問題。鳳凰座星系團擁有目前已知星系團中最多的高溫冷卻氣體，研究人員將其比喻為滑雪場的運作模式：如同一座配備最多纜車運送滑雪者上山的滑雪場。然而，並非所有滑雪者都能順利滑到山下，這意味著並非所有氣體都能成功冷卻至低溫。如果纜車運送的滑雪者數量遠多於最終抵達山下的人數，顯示其中有某個環節出了問題。過去的研究發現，這些數量始終對不上，暗示有一部分氣體在冷卻過程中消失了。
現在，韋伯望遠鏡終於揭開了這個謎團，它發現了那些停滯在半山腰的滑雪者。研究人員成功追蹤並繪製出過去無法探測到的中等溫度冷卻氣體，證實這些氣體分布在極高溫（約 1,000 萬 K）的熱氣體與已冷卻至約 1 萬 K 的低溫氣體之間，填補了觀測上的空白。由於探測能力的限制，過去的研究僅能測量星系團核心內最極端的高溫和低溫氣體，而這些介於兩者之間的溫暖氣體一直未能被觀測到。如今，透過韋伯望遠鏡，我們終於能夠完整描繪鳳凰座星系團內氣體冷卻的全貌。
這張鳳凰座星系團的影像結合了哈伯太空望遠鏡、錢卓拉 X 射線天文臺、特大天線陣（VLA）電波望遠鏡的數據。錢卓拉 X 射線天文臺的數據顯示極高溫氣體（紫色），哈伯太空望遠鏡的可見光數據顯示星系（黃色）、以及恆星形成區域的較冷氣體絲狀結構（淺藍色），特大天線陣在電波波段觀測到噴發產生的噴流（紅色），這些噴流向外擴張，在星系團內的高溫氣體中形成空洞氣泡。Credits: NASA, CXC, NRAO, ESA, Michael McDonald (MIT), Michael Reefe (MIT), Joseph Olmsted (STScI)
此影像與上圖相同，顯示鳳凰座星系團的氣體分布。核心噴流（紅色）向外擴張，在高溫氣體中形成氣泡，其邊界以紫色虛線標示。綠色虛線則標示韋伯太空望遠鏡探測到的中等溫度冷卻氣體，證實這些氣體分布於極高溫（約 1,000 萬 K）與低溫（約 1 萬 K）氣體之間，填補了觀測空白。Credits: NASA, CXC, NRAO, ESA, Michael McDonald (MIT), Michael Reefe (MIT), Joseph Olmsted (STScI)
韋伯望遠鏡能夠偵測到溫度約 30 萬 K 的氣體，除了受惠於其卓越的儀器性能，自然界的特殊條件也提供了一些助力。這項發現涉及氖（Ne）與氧（O）的離子，這兩種元素通常在相似的環境中形成。在這個溫度範圍內，氧的發射光比氖強 100 倍，但僅能在紫外波段觀測，而氖雖然發射光較弱，卻能在紅外波段發光，使得韋伯望遠鏡得以進行探測。
研究團隊希望將這項技術應用於更多典型的星系團研究。儘管鳳凰座星系團在許多方面屬於特例，但這項發現為理解其他星系團的恆星形成機制邁出了重要一步。
資料來源：WEBB
本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。
