互动科普

银河系的“费米气泡”

在银河系星盘结构的上方和下方，

科学家发现了跨度达数万光年的巨大“气泡”结构。

但“气泡”结构的形成原因，依然是一个谜团。

撰文  道格拉斯·芬克拜纳（Douglas Finkbeiner）

苏萌（Meng Su）  

德米特里·马雷舍夫（Dmitry Malyshev）

翻译 苏萌

而最近，我们对银河系结构的认识再次被修改。利用一种与以往完全不同的新型望远镜，我们和同事一起发现了一个从银河系中心向两侧展开的新结构，它向空间中延伸了数万光年，形状就像一对巨型气泡。长久以来，人们一直没能发现这对发光的气泡，是因为它们最明亮的波段是伽马射线，而伽马射线无法穿透地球的大气层，因而很难被探测到。

我们现在还不知道，这个被我们称为“费米气泡”的结构到底是如何产生的。它们似乎与发生在银河系中心最深处的神秘过程相关。银河系中心是一个混沌复杂的区域，最中央是一个超大质量黑洞，周围翻滚着炙热的气体漩涡。同时，这里不断形成的大量恒星，导致了大规模的超新星爆发。

和许多意外发现类似，我们发现“费米气泡”的过程也近乎偶然。但既然发现了它们，就要细致地去研究它们的特性。这种巨大的银河系气泡，有望揭示关于银河系结构和演变的深层秘密。

微波迷雾

天文学家观察到的一些现象似乎在暗示，银河系中心与人们之前设想的有所不同，但最初的暗示并不是来自伽马射线，而是微波辐射。那是2003年，我（本文作者道格拉斯·芬克拜纳）试图使用威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Micro-wave Anisotropy Probe，WMAP）的数据，来更好地研究宇宙起源。在当时，这是最好的宇宙微波背景辐射数据。我那时还在普林斯顿大学做博士后，研究银河系内临近的星际尘埃是如何掩盖WMAP的预定目标信号（宇宙大爆炸产生的微弱的微波背景信号）的。对尘埃本身的研究虽然很有趣，但对一个宇宙学家来说，这就像挡风玻璃上的污渍，应该被尽可能从数据中去除。

尘埃并不是唯一需要去除的东西。天文学家只能从银河系内观察宇宙，在银河系内穿行的高能粒子（比如电子）也会发射微波辐射，这种信号也需要去除。2003年时，人们已经对这些信号有了相当成熟的理解，但还是有一些信号无法解释。我可以模拟大部分的银河系信号，但在银河系靠近核心的区域，总有些信号无法被去除掉。我把这个无法去除的信号叫做“微波迷雾”。

对于这个来自银河系中心的神秘信号，无法用已知信息来解释，但天文学家很快就提出了很多想法。最令人激动的一种可能是，这团“迷雾”是藏身已久的暗物质的信号。没人知道暗物质到底是什么，只知道它与我们熟悉的普通物质之间有引力相互作用。科学家认为，引力会把暗物质拉向星系中心。在银河系中心这个暗物质相对密集的区域里，暗物质粒子偶尔会发生碰撞，可能会产生一对正负电子。

尽管我们看不到暗物质，但应该可以看到暗物质粒子相撞后产生的粒子。当这些带电粒子游走在银河系中心纷乱无序的磁场中时，会发生同步辐射（synchrotron radiation）——带电粒子改变运动轨迹时会释放这种辐射（见右图）。

我们看到的“微波迷雾”，可能是由暗物质发射的同步辐射造成的。但是，我们如何才能判断这一推论是否正确？研究人员想到，产生同步辐射的电子还会带来一个附加结果，它们可能会与光子发生碰撞，从而使光子加速，达到极高能量，这一过程被称为“逆康普顿散射”（inverse Compton scattering，见右图）。

很快，科学家就达成了共识：如果“微波迷雾”是由高能电子（或许是暗物质湮灭的产物）产生的，那么，我们应该能够找到对应的、由同样的电子产生的高能伽马射线。我们随之把研究的目光投向费米伽马射线空间望远镜（Fermi Gamma-ray Space telescope）——专门用于研究太空伽马射线的设备（见“寻找伽马射线的‘眼睛’”）。

2009年8月24日，费米望远镜获取到的数据向公众发布。那时候，我已经是哈佛大学的教授，我和当时的博士后研究员格雷戈里·多布勒（Gregory Dobler），根据数据迅速开始绘制银河系的伽马射线天图。经过几个日夜的忙碌，我们发现，的确有一些伽马射线似乎可以和“微波迷雾”对应起来。我和合作者很快就提交了一篇文章，提出了两者相关联的可能性。我们认为，微波信号和伽马信号可能都起源于银河系中心的高能电子，但我们没能解释高能电子的起源。

接下来的突破则花费了较长一段时间。2009年10月，我在办公室用更新的费米望远镜数据，再次绘制了上一篇文章中的图像。我发现原始数据显示，伽马射线天图中有一个暗弱的边界，到这个边界时，伽马射线信号的强度急剧下降。在天文学中，明显的边界往往来自于非稳恒的天体发射的信号。比如说，超新星产生的激波会产生明显的边界，因而更容易被望远镜探测到。但随着时间的演化，这些明显的边界会慢慢弱化直至最终消失。

如果伽马射线信号确实是由暗物质产生，那就不应该出现明显的边界，而应该是随着距离银河系中心越来越远，信号也慢慢变弱。因为暗物质相互作用已经发生了数十亿年，任何边界都应该早已模糊了。

最初研究费米伽马射线数据时，这个边界并不明显，所以我们将其归结为噪音信号，并去除了它。现在，在最新获得的数据中，这个边界又再次出现，于是我开始思考这一情况。我把数据拿给我当时的研究生苏萌（Meng Su，本文另一位作者）和特拉西·斯雷特尔 （Tracy Slatyer），他们也同意我的看法——真的有一个边界在那里。苏萌立刻就投入了紧张的研究分析工作中。我想他大概一直在工作，几乎没有睡觉。苏萌试图从数据中得到最精确的边界形状。数天后，我们彻底改变了对数据的认识。这个信号并不是来自于暗物质。“气泡”的概念出现了。2010年5月，我和苏萌、斯雷特尔共同向《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）提交了一篇论文，描述了这个新发现的结构，我们将这一结构命名为“费米气泡”。

 “费米气泡”制造者

对于这对处于银河系中心、由高能宇宙射线组成并且跨度达到数万光年的巨型“气泡”，尽管从没有人想到过它们的存在，但这种“气泡”的存在，其实并非那么令人震惊和不可理解。

很多星系都有“气泡”状结构。我们可以通过X射线和无线电波看到它们，如果我们有更好的伽马射线望远镜，我们可能会发现，这些“气泡”同样在辐射伽马射线。

我们知道很多星系产生“气泡”的过程。有些情况下，“气泡”的起源可以追溯到大质量黑洞。这些黑洞往往有数十亿个太阳的质量，并位于星系的中心区域。星系中的物质落向黑洞时会开始旋转，就像浴缸中的水流旋转流走的样子。由炙热气体和尘埃组成的漩涡，会产生很强的磁场，向外喷射由高能辐射和高能宇宙射线粒子组成的喷流，从而产生类似的“气泡”结构。

我们知道银河系中心也有一个超大质量黑洞，却从来没有观测到从黑洞中心喷射出强烈的辐射喷流（如果喷流存在，一定不朝向我们——幸好喷流不是朝向我们）。所以我们没有直接证据来推断，“费米气泡”是由这一过程产生的。

另一方面，在银河系中心上方很远的地方，存在一个巨大的气体云——麦哲伦带（Magellanic stream）。如果曾有一个强大的喷流指向那里，麦哲伦带中的原子的电子会被剥离。当这些电子和原子核重新结合时，会产生所谓的“复合辐射”（recombination radiation）。

天文学家真的观测到了这个信号。大约一百万年前，银河系中心的黑洞的确发生过一次剧烈的物质吸积，在这一过程中产生了高能喷流以及紫外辐射，把麦哲伦带中的电子从原子中剥离。“费米气泡”可能就是在这一事件中产生的。

另一种解释是，像临近的M42星系一样，“气泡”结构是由星系核心处激烈的恒星形成过程导致的。恒星在刚刚形成时，大小各不相同。质量越大的恒星，内部核燃料的消耗速度就越快。核燃料消耗殆尽时，就会产生超新星，这时恒星内核坍缩，同时释放出大量能量并把外层物质剥离，最后成为中子星或黑洞。众多的超新星可以产生充满高能粒子的星风，从银河系中心“吹”出巨型“气泡”。

我们知道，在银河系中心的确有一个恒星形成相对剧烈的区域。几千个恒星围绕在黑洞附近，这些恒星差不多只有600万年的年龄，跟宇宙年龄相比不过是一瞬间。如果在那一时期，也形成了一些超大质量恒星，600万年的时间，足够它们演化为已经爆炸的超新星。这些超新星形成的巨型星风从银河系中心处吹出，具有足够的能量形成“气泡”结构。

后续计划

正如我们所看到的，“费米气泡”的形成和演化跟银河系的历史演化密不可分。“气泡”还可以告诉我们，位于银河系中心的黑洞是如何把周围的物质拽向它，高能宇宙射线如何跟星系际介质相互作用。尽管在其他星系中也存在和“费米气泡”类似的结构，但“费米气泡”却使得我们可以近距离地研究这样的结构。

沿着这条研究思路，我们试图从电磁波谱的各个能段来研究“费米气泡”。最不可思议的是，虽然它如此巨大，并且在伽马射线段非常明亮，但在其他波段几乎难觅踪迹。普朗克卫星（Planck spacecraft）在微波波段对整个天空做了详细的观测，我们期望它提供的新数据，能为研究“气泡”提供新的线索。我们也试图在X射线波段来研究“气泡”，但现有观测条件有限：所有正在轨道上运行的X射线望远镜，每次都只能观测很小的一片天区，而“气泡”实在是太大了，就像想要通过一个卷起的纸筒看到群山的全景一般，难度非常大。

自伽里略发现银河系是由无数恒星组成以来，人们花了300年的时间才意识到，我们的星系不过是数千亿个星系中的普通一员。希望这次我们更走运一些，不需要再花上300年，就能理解“费米气泡”到底要告诉我们怎样的宇宙奥秘。