撰文：道格拉斯·芬克拜納（Douglas Finkbeiner） 蘇萌（Meng Su）  德米特里·馬雷舍夫（Dmitry Malyshev）

本文作者道格拉斯·芬克拜納是哈佛大學天文學教授、物理學教授，同時也是哈佛-史密森天體物理中心理論計算所的成員。

蘇萌是麻省理工學院的愛因斯坦和帕帕拉多研究員，同時也任職于卡弗里天體物理與空間研究所。

德米特里·馬雷舍夫是斯坦福大學和美國SLAC國家加速器實驗室的博士后，同時也是費米大天區望遠鏡實驗組的成員。

 

翻譯：蘇萌

 

 

選一個晴朗的夜晚，到一個遠離城市燈光的地方仰望星空，你可能會看到一條美麗的光帶橫跨天際，這就是銀河系。自遠古時期開始，人們就對這一奇觀大為贊嘆。但直到四個世紀前，當伽利略使用自制望遠鏡瞄準星空時，人們才知道，這條絢麗的光帶其實是由無數恒星組成的。

幾年前，本文作者道格拉斯·芬克拜納等天文學家利用一種新型望遠鏡發現了一個從銀河系中心向兩側展開的新結構，它向空間中延伸了數萬光年，形狀就像一對巨型氣泡。人們對銀河系結構的認識再次被修改。

科學家們現在還不知道這個被稱為“費米氣泡”的結構到底是如何產生的，但它們似乎與發生在銀河系中心最深處的神秘過程相關。盡管發現“費米氣泡”的過程近乎偶然，但既然發現了它們，我們就要細致地去研究它們的特性。對這種巨大的銀河系氣泡的研究將有望揭示關于銀河系結構和演變的深層秘密。

 

微波迷霧

天文學家觀察到的一些現象似乎在暗示銀河系中心與人們之前設想的有所不同，但最初的暗示并不是來自伽馬射線，而是微波輻射。2003年，芬克拜納試圖使用威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器（WMAP）的數據來更好地研究宇宙起源。

天文學家只能從銀河系內觀察宇宙，并需要去除在銀河系內穿行的高能粒子（比如電子）發射的微波輻射信號。2003年時，人們已經對這些信號有了相當成熟的理解，但還是有一些信號無法解釋。芬克拜納將銀河系靠近核心的區域中無法被去除掉的信號稱作“微波迷霧”。

天文學家很快對這個來自銀河系中心的神秘信號提出了很多想法。科學家甚至認為認為這團“迷霧”是藏身已久的暗物質的信號。引力會把暗物質拉向星系中心。在銀河系中心這個暗物質相對密集的區域里，暗物質粒子偶爾會發生碰撞，可能會產生一對正負電子。當這些帶電粒子游走在銀河系中心紛亂無序的磁場中時，會發生同步輻射——帶電粒子改變運動軌跡時會釋放這種輻射。

有科學家認為的“微波迷霧”可能是由暗物質發射的同步輻射造成的。但如何才能判斷這一推論是否正確？研究人員想到，產生同步輻射的電子還會帶來一個附加結果，它們可能會與光子發生碰撞，從而使光子加速，達到極高能量，這一過程被稱為“逆康普頓散射”。

很快，科學家就達成了共識。如果“微波迷霧”是由高能電子（或許是暗物質湮滅的產物）產生的，那么我們應該能夠找到對應的、由同樣的電子產生的高能伽馬射線。研究人員隨之把目光投向費米伽馬射線空間望遠鏡——專門用于研究太空伽馬射線的設備。

2009年8月24日，研究人員向公眾發布了費米望遠鏡獲取到的數據。通過用原始數據繪制圖像，芬克拜納發現伽馬射線天圖中有一個暗弱的邊界，伽馬射線信號的強度在到達該邊界時急劇下降。在天文學中，明顯的邊界往往來自于非穩恒的天體發射的信號。如果伽馬射線信號確實是由暗物質產生，那就不應該出現明顯的邊界，而應該是隨著距離銀河系中心越來越遠，信號也慢慢變弱。

研究人員立即投入了緊張的研究分析工作中，試圖從數據中得到最精確的邊界形狀。數天后，研究人員發現這個信號并不是來自于暗物質。“氣泡”的概念出現了。他們在論文中描述了這個新發現的結構，并將其命名為“費米氣泡”。

 

“費米氣泡”制造者

盡管此前從未有人想到過該“氣泡”的存在，但這對處于銀河系中心、由高能宇宙射線組成并且跨度達到數萬光年的巨型“氣泡”其實并非那么令人震驚和不可理解。

很多星系都有“氣泡”狀結構。有些情況下，“氣泡”的起源可以追溯到大質量黑洞。星系中的物質落向黑洞時會開始旋轉，就像浴缸中的水流旋轉流走的樣子。由炙熱氣體和塵埃組成的漩渦會產生很強的磁場，向外噴射由高能輻射和高能宇宙射線粒子組成的噴流，從而產生類似的“氣泡”結構。

銀河系中心也有一個超大質量黑洞，但科學家從來沒有觀測到從黑洞中心噴射出強烈的輻射噴流，也就沒有直接證據來推斷“費米氣泡”是由這一過程產生的。

另一方面，在銀河系中心上方很遠的地方存在一個巨大的氣體云——麥哲倫帶。如果曾有一個強大的噴流指向那里，麥哲倫帶中的原子的電子會被剝離。當這些電子和原子核重新結合時，會產生所謂的“復合輻射”。大約一百萬年前，銀河系中心的黑洞的確發生過一次劇烈的物質吸積，在這一過程中產生了高能噴流以及紫外輻射，把麥哲倫帶中的電子從原子中剝離。“費米氣泡”可能就是在這一事件中產生的。

另一種解釋是，像臨近的M42星系一樣，“氣泡”結構是由星系核心處激烈的恒星形成過程導致的。質量越大的恒星，內部核燃料的消耗速度就越快。核燃料消耗殆盡時就會產生超新星，這時恒星內核坍縮，同時釋放出大量能量并把外層物質剝離，最后成為中子星或黑洞。眾多的超新星可以產生充滿高能粒子的星風，從銀河系中心“吹”出巨型“氣泡”。

在銀河系中心的確有一個恒星形成相對劇烈的區域。幾千個恒星圍繞在黑洞附近，這些恒星差不多只有600萬年的年齡，跟宇宙年齡相比不過是一瞬間。如果在那一時期也形成了一些超大質量恒星，600萬年的時間足夠它們演化為已經爆炸的超新星。這些超新星形成的巨型星風從銀河系中心處吹出，具有足夠的能量形成“氣泡”結構。

 

 

后續計劃

正如科學家們所看到的，“費米氣泡”的形成和演化跟銀河系的歷史演化密不可分。“氣泡”還可以告訴人們，位于銀河系中心的黑洞是如何把周圍的物質拽向它，高能宇宙射線如何跟星系際介質相互作用的。

沿著這條研究思路，研究人員試圖從電磁波譜的各個能段來研究“費米氣泡”。雖然它如此巨大，并且在伽馬射線段非常明亮，但在其他波段幾乎難覓蹤跡。普朗克衛星在微波波段對整個天空做了詳細的觀測，研究人員期望它提供的新數據能為研究“氣泡”提供新的線索。

自伽里略發現銀河系是由無數恒星組成以來，人們花了300年的時間才意識到，我們的星系不過是數千億個星系中的普通一員。希望這次科學家們不需要再花上300年，就能理解“費米氣泡”到底要告訴我們怎樣的宇宙奧秘。

 

本文由《環球科學》（《科學美國人》中文版）供稿，編者有刪改。

 

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銀河系的“費米氣泡”

圖文簡介

盡管發現“費米氣泡”的過程近乎偶然，但相關研究將有望揭示關于銀河系結構和演變的深層秘密。