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直径5万光年的费米气泡到底从哪来?科学家:与超大质量黑洞有关

2021.03.22

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在大约20年前,天文学家还认为银河系就像是一个荷包蛋的形状,整体很平坦,中间略鼓起。但是,在最近一些年来,我们对于银河系的认识一次次被更新。我们不仅发现了银河系是扭曲的,甚至在银心的两侧发现了两个神秘的巨大气泡,这就是费米气泡。

(图片说明:最近的发现表面,从侧面看到的银河系并非是平坦的,而是扭曲的形状,如上图所示)

自从发现的那一天起,费米气泡就以其惊人的结构和尺寸吸引着天文学家的注意。没有人知道它是怎么来的,直到最近,才有人提出了一点相关的推测……

费米气泡

2003年的一天,美国天体物理学家道格拉斯·芬克拜纳和他的同事们正在利用新型的望远镜对宇宙进行观测,试图探究宇宙的起源。

可是,当他进行观测的时候,发现有一些奇怪的信号,给他的观测带来了干扰。他很困惑:按说银河系中有一些高能粒子造成干扰是正常的,他们的观测技术完全可以屏蔽掉这些粒子,那么这些仍然可以干扰观测的信号又是什么呢?当时他没有得到答案,只是称之为“微波迷雾”。

(图片说明:费米伽马射线空间望远镜)

直到2009年,在利用费米伽马射线空间望远镜进行观测的时候,他发现了这片充满了高能伽马射线的区域有一个模糊的边界。在这个边界的外侧,伽马射线的强度急剧下降。由此,他确定了这个“迷雾”的范围,也确认了它并非来自于先前所猜测的暗物质。于是,他在次年宣布了这个新发现,并且为这两个位于银心两侧的气泡状结构起了名字——费米气泡

据观测,费米气泡在银河系两侧各自延伸了2.5万光年,相当于太阳到银河系中心的距离。两个气泡的顶点相距5万光年,按照银河系15万光年的直径来算,相当于银河系直径的1/3,尺寸非常惊人。在银河系两侧,费米气泡就像飞蛾的两只翅膀一样。

那么,为何如此巨大的费米气泡,直到21世纪才被我们发现呢?这是因为,费米气泡的波长在X射线和伽马射线范围内,是我们肉眼看不见的,所以科学家始终没有发现。

(图片说明:尺寸惊人的费米气泡)

可是,确认费米气泡的尺寸才仅仅是一个开始,接下来还有许多问题等着天文学家们去解决。首先的问题就是:它来自于哪里?

费米气泡的起源之谜

5月14日,《天体物理学报》发表了一篇论文,介绍了天文学家关于费米气泡成因的最新研究成果。在论文中,他们指出:费米气泡的成因,与银河系中心的超大质量黑洞人马座A*有着密不可分的关系。大约在600万年前,这个黑洞释放了一次巨大的冲击波,很可能是费米气泡的根源。

(图片说明:费米气泡假想图)

天文学家曾经在拥有超大质量黑洞的星系核心发现过强大的电离物质喷流,他们认为,银河系的费米气泡,或许就和这种喷流有关。虽然我们目前不知道这种喷流的原因到底是什么,但他们相信,人马座A*也有过这样的情况。而在这种喷流的作用下,就有可能导致费米气泡这样的结构诞生。研究人员形象地把这种喷流形容为黑洞“消化不良导致的打嗝”。

他们利用计算机模拟了这种喷流的过程,结果显示:只要这种喷流足够强大,范围足够宽,就可以使粒子以接近光速的速度向黑洞的两端喷射出去。这种喷流形成的强大冲击波,会击穿星系核心两侧的高温气体。这些气体在冲击波的压缩和加热后,就会形成沙漏状的X射线结构。在这个模拟过程中,这个过程持续了大约100万年的时间,冲击波扩散了数千光年,于是造就了费米气泡。也就是说,费米气泡的本质,就是超大质量黑洞的喷流在冲击星系周围高温气体时形成的冲击波。

(图片说明:计算机模拟的费米气泡与计算机模拟出银河系中心神秘的X射线结构重叠的示意图)

在上面这张图片中,红色表示的是费米气泡,黑色部分表示的是沙漏状X射线结构。看得出来,这两个结构的重合度还是非常高的,边界也高度吻合。因此,这个模型模拟出的费米气泡成因还是很可信的。

研究人员在论文中指出:“当喷流击穿了周围环境的气体晕时,就会形成一个前进的冲击波。在100万年后,这个喷流被关闭;(又过了500万年)以后,气泡膨胀到了目前我们观测到的尺寸。”因此,他们推断,人马座A*的喷流如果真的是费米气泡的成因,那么这个事件就应该发生在大约600万年前。

他们相信,超大质量黑洞喷流的这个假说不仅仅从费米气泡的尺寸和形状上能够很好地解释其成因,还能够解释其他的一些问题,比如费米气泡的极高温度、以及费米气泡的底部边缘与X射线结构完美重合的现象。

不仅如此,科学家们最近还在银河系中心发现了几个同样是气泡状、但尺寸很小的射电结构,这些结构的成因或许也可以用这个理论来解释。如果真的如此,那么可能在600万年前的那一次喷发后,人马座A*又发生了类似的,但是威力较小的喷发,于是造就了这些小的气泡。

从费米气泡的尺寸、温度和外形与计算机模拟相吻合的直接证据,到这些小气泡的间接证据来看,这些都超出了天文学家们的预期。因此,这个理论有相当的可能性就是费米气泡成因之谜的正解。

(图片说明:银河系扭曲的形状与费米气泡结合的假想图,网上没人做,我自己PS了一下,有点糙,大家凑合看吧~)

可以想象,银河系还有很多未被人类发现的结构,它的模样恐怕也远远不是我们现在所理解的模样。就像一百多年前的时候,人们还以为银河系就是整个宇宙一样。我们对银河系的认识,是随着科技的发展而不断修正的。

那么,一百年后人类所认识的银河系,又会是什么模样呢?

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