XRISM太空望遠鏡透過揭示超新星和黑洞周圍物質的溫度、速度和三維結構，揭示了超新星和黑洞等天體現象的複雜動態。 特別是對大麥哲倫雲中的超新星殘餘物N132D 和NGC 4151 中的一個超大質量黑洞的研究，提供了有關其內部運動和結構的前所未有的細節。

這是藝術家繪製的NGC 4151 星系中央活動區（活動星系核，AGN）的圖像，其中包含一個超大質量黑洞。 中間的藍色區域描繪的是最靠近黑洞的吸積盤，它正在噴出物質。 再往外則是被天文學家稱為”寬線區”的動盪區域，再往外則是甜甜圈狀的環形區域。 資料來源：日本宇宙航空研究開發機構

天體現象和XRISM 的首次發現

巨大的黑洞和大質量恆星爆炸後的殘骸有什麼共同點？ 它們都是一種引人注目的天體現象，在這種現像中，極熱的氣體會產生高能量的X 射線光，而X 射線成像和能譜分析任務（XRISM）可以看到這些光。

XRISM 是由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA ）領導、歐洲太空總署（European Space Agency ESA ）參與的任務、 顯示了其獨特的能力，可以揭示稱為等離子體的炙熱氣體的速度和溫度，以及黑洞和爆炸恆星周圍物質的三維結構。

“這些新的觀測結果為了解黑洞如何透過捕獲周圍物質而成長提供了重要訊息，並為了解大質量恆星的生與死提供了新的視角。」歐空局XRISM計畫科學家Matteo Guainazzi說：」它們展示了這項任務在探索高能量宇宙方面的卓越能力。

超新星殘餘物N132D 的啟示

在一次”第一束光”觀測中，XRISM聚焦於N132D，它是一顆超新星殘餘物，位於距地球約16萬光年的大麥哲倫雲中。 這個由高溫氣體組成的星際”氣泡”是大約3000 年前一顆超大質量恆星爆炸時排出的。

XRISM利用其”決心”（Resolve）儀器詳細揭示了N132D周圍的結構。 科學家發現，N132D的殘餘物形狀像一個甜甜圈，這與先前假設的簡單球形外殼不同。 利用多普勒效應，他們測量了殘餘物中的熱等離子體向我們移動或遠離我們的速度（速度），並確定它正在以每秒約1200 公里的明顯速度膨脹。

他們還發現，殘餘物中含有溫度高達100 億開爾文的鐵。 這些鐵原子是在超新星爆炸時透過向內擴散的劇烈衝擊波而被加熱的，這種現像是理論所預測的，但以前從未被觀測到過。

像N132D這樣的超新星殘餘物為了解恆星如何演化以及對我們的生命至關重要的（重）元素（如鐵）如何在星際空間生成和擴散提供了重要線索。 然而，先前的X 射線觀測站總是難以揭示等離子體的速度和溫度是如何分佈的。

這張圖顯示的是日本宇宙航空研究開發機構的XRIMS X 射線望遠鏡對超新星殘餘物N132D 的觀測。 這顆超新星是大約3000年前在大麥哲倫雲發生的一次恆星爆炸的結果，距離地球16萬光年。

在影像的頂部，超新星殘餘物以X光的形式顯示出來。 黃色圓圈描述的是XRISM儀器”決心”測量到極熱鐵（100億開爾文度）的區域。 粉紅色線條顯示的是殘餘物的邊緣，在這裡爆炸波與星際介質相互作用，熱氣體（等離子體）溫度較低（約1,000 萬開爾文度）。

光譜顯示了N132D 中存在的多種化學元素。 XRISM 可以透過測量不同原子特有的X 射線光子能量來辨識每種元素。 圖中x 軸上的標籤”keV”指的是千電子伏特，這是一種能量單位。 XRISM 的”能量解析度”，即分辨不同波長X 射線光的能力，具有開創性意義。 XRISM 的分辨率是其前身的30 倍，其先進的光譜能力使科學家能夠以前所未有的精度測量熱等離子體的運動和溫度。

揭開超大質量黑洞的秘密

XRISM也為我們揭示了圍繞超大質量黑洞的神秘結構。 XRISM 的觀測聚焦於距離我們6,200 萬光年的螺旋星系NGC 4151，以前所未有的視角觀察了非常靠近該星系中心黑洞的物質，該黑洞的質量是太陽的3000 萬倍。

XRISM捕捉到了圍繞黑洞並最終落入黑洞的物質的分佈情況，半徑從0.001光年到0.1光年不等，也就是從與太陽和天王星的距離相當到100倍的距離。

日本宇宙航空研究開發機構的XRISM X射線望遠鏡捕捉到了落入NGC 4151星系超大質量黑洞的物質在0.001到0.1光年的大半徑範圍內的分佈情況。 透過從鐵原子的X射線特徵中確定其速度，科學家們繪製出了圍繞中央”怪物”的一系列結構：最靠近黑洞的圓盤（藍色），氣體以光速的百分之幾的速度運動；其次是過渡區域，氣體以數千公里/秒的速度移動，天文學家稱之為”寬線區域（BLR）”（橙色）；最後是甜甜圈狀的環形區域（紅色）。 資料來源：日本宇宙航空研究開發機構

透過確定鐵原子的X 射線運動特徵，科學家們繪製出了圍繞巨型黑洞的一系列結構：從”餵養”黑洞的圓盤一直到甜甜圈狀的環。

這些發現為了解黑洞如何吞噬周圍物質而成長的提供了重要線索。

雖然無線電和紅外線觀測已經揭示了其他星系的黑洞周圍存在一個甜甜圈狀的環形結構，但XRISM的光譜技術是第一個，也是目前唯一一個追蹤中心”怪物”附近氣體是如何形成和移動的方法。

展望未來： 未來的觀測與發現

在過去的幾個月裡，XRISM 科學團隊透過對60 個關鍵目標的觀測，在建立儀器效能和完善資料分析方法方面做出了不懈的努力。 同時，也從世界各地科學家提交的300 多份建議中選出了104 組新的觀測項目。

XRISM 將在明年根據成功的建議進行觀測；由於其在軌道上的出色表現，甚至超過了最初的預期，這有望帶來更多令人興奮的發現。

XRISM 將以前所未有的集光能力和能量分辨率（分辨不同能量的X 射線的能力）組合來研究宇宙的X 射線光。 這項任務將為星系團的動態、宇宙的化學組成以及圍繞吸積超大質量黑洞（活動星系核或AGN）的物質流等許多課題提供一幅圖景。 資料來源：歐空局

關於XRISM

X 射線成像和光譜任務（XRISM）於2023 年9 月7 日發射。 該任務由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和美國國家航空暨太空總署（NASA）合作完成，歐空局也積極參與其中。 作為提供硬體和科學建議的回報，歐空局分配給XRISM 8%的可用觀測時間。

利用XRISM進行的觀測將補充歐空局XMM-牛頓X射線望遠鏡的觀測，並將為歐空局未來的大型飛行任務新雅典娜的觀測計劃奠定良好的基礎。 後者的設計目的是大幅超過現有分光和巡天X 射線觀測台的科學性能。

XRISM 協作小組的這些成果已被接受，將在《Astronomical Society of Japan》和《The Astrophysical Journal》上發表。

編譯自/ ScitechDaily