谁在银河系中心吹了两个“大泡泡”？
2021-04-28 13:28:14 来源: 中国物理学会期刊网
图1：银河系费米气泡示意图，图片来源：NASA
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编者按
银河系是一个盘状棒旋星系，地球与银河系中心的距离大约是两万七千光年。2010年，天文学家利用费米伽马射线太空望远镜发现银河系内区有两个巨大的类椭球形新结构，称之为“费米气泡” （图1中紫色的两个椭球结构） 。这两个气泡对称地分布在银河系中心上下两侧，每个气泡在垂直于银盘方向的高度约达三万光年。
这一对气泡是长期存在于银河系中的稳定结构，还是银河系在近期产生的一个临时性新结构？它们又是怎么被“吹”起来的？
本期将和大家一起，探讨我们所在的银河系中心这两个神秘而又有意思的大气泡。
撰文 | 郭福来（中国科学院上海天文台）
责编 | 韩越扬、吕浩然
01
神秘复杂的星系核
在讨论费米气泡之前，让我们先回顾一下星系与星系核。明亮的星系是黑暗广袤宇宙中的基本结构单元，其中含有大量暗物质、恒星、气体、等离子体、高能粒子等物质。星系核是一个星系的中心区域，物质分布尤其密集，其中心处通常还有一个超大质量黑洞。
在许多星系核中，我们都观测到了能量爆发现象。这些爆发过程能量强大，会产生巨大的“气泡”，并推动形成从星系核到整个星系的大范围气体外流。这些强大爆发现象的起源一般有两种可能性：其一是中心超大质量黑洞在吸积物质的过程中，会释放出巨大的引力能，产生非常准直的喷流（如图2左）或者有较大张角的外流。其二，如果星系核有较高的恒星形成率，大质量恒星的寿命较短（大约几百万年），死亡时会产生超新星爆发。这一系列超新星爆发汇聚在一起也能推动大尺度星系外流（图2右中的暗红色外流）。
这两个能量爆发过程被天文学家分别称作活动星系核反馈与恒星反馈，属于当前天体物理研究的热点前沿方向。许多天文学家相信这两个星系反馈过程可以影响星系中新恒星形成的速度，调节星系的成长，是影响星系演化的关键物理过程。
图2左：射电星系3C296中的射电喷流与射电瓣，图片来源：NRAO；图2右：星爆星系M82中的外流，图片来源：NASA & ESA
星系核也可能是一个星系中暗物质分布特别聚集的地方。暗物质在宇宙中的总质量大约是普通物质的五倍，是天文学家通过其引力的天文学效应发现的，不过在粒子物理的标准模型中却并没有这种粒子。因为暗物质是新粒子，涉及新物理，所以也是当前物理学与天文学中极其重要的前沿方向。
一些暗物质粒子模型预言，暗物质粒子之间相互碰撞，有可能产生正负电子、正反质子等高能粒子，这些高能粒子会产生高能光子辐射。星系核内的暗物质密度高，其发生碰撞湮灭的可能性比较大，是比较有希望探测到这种高能辐射的地方。尤其是离我们比较近的星系核，如银河系的星系核更应如此。
02
费米气泡的发现
图3：费米伽马射线太空望远镜在10 GeV以上能段的全天图，其中费米气泡清晰可见。图片来源：NASA
天文学的新发现常常来自于性能更好、灵敏度更高的新望远镜。2008年6月，由美国、法国、德国等多国联合研制的费米伽马射线太空望远镜[1]发射进入太空。费米望远镜的主要仪器——大面积望远镜（LAT）在20MeV-300GeV的伽马射线能段很灵敏，观测视场非常大，很适合开展巡天观测，探测弥漫的大面积伽马射线结构。
如图3所示，费米气泡在伽马射线能段的辐射非常显著。据笔者了解，费米望远镜科学团队在半年左右的观测数据中就发现了费米气泡的伽马射线辐射，但费米气泡的科学发现论文却是由哈佛大学的一个独立科学团队于2010年发表的。
对于费米望远镜科学团队来说，费米气泡的发现多少有一点意外，但哈佛团队却早就期待在内银河系区域发现弥漫的伽马射线辐射。早在2004年，哈佛大学的Douglas Finkbeiner教授就在另一个太空望远镜——威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的观测数据中发现银河系中心方向有大量弥散的微波辐射[2]。在扣除了当时已知的银河系微波辐射之后，这些残留的微波辐射看起来以银心（即银河系中心）为中心，半径大约一万多光年，被称为WMAP迷雾。
当时，哈佛团队认为这些辐射是高能电子在磁场中运动时产生的同步辐射，辐射能谱不能用银盘上超新星爆发加速并扩散出来的高能电子解释。WMAP迷雾在当时引起了天文学界极大的兴趣，因为高能电子可能起源于银河系核区暗物质的湮灭。这些高能电子可以把遇到的低能光子散射到伽马射线能段，因此费米望远镜有可能会探测到WMAP迷雾的伽马射线辐射。
费米望远镜的观测数据是对全球公开的。2010年，哈佛团队利用费米数据发表了两篇研究内银河系伽马射线弥散辐射的论文。第一篇论文[3]果然看到了这个伽马射线弥散结构，刚好对应着微波波段的WMAP迷雾，并称之为费米迷雾。第二篇论文[4]确认了这个辐射来自于银心上下两个对称性分布的类椭球状结构（图3），命名为费米气泡。该文详尽地讨论了费米气泡的性质以及银河系中心的其它相关现象，指出这个结构不太可能来自于暗物质湮灭，而更可能起源于银河系核区的活动星系核反馈或恒星反馈现象。这个工作引起了学术界极大的兴趣，开启了后续费米气泡研究的大门。论文三位作者（苏萌、Tracy Slatyer, Douglas Finkbeiner）获得了2014年美国天文学会高能天体物理部门的Bruno Rossi奖。
图4：费米望远镜科学团队特殊处理后的伽马射线全天图，扣除已知的伽马辐射后，费米气泡边界清晰。图片来源：参考文献[5]
03
费米气泡的起源
在内银河系，暗物质的分布预期是以银心为中心，大致呈球对称性分布，但是观测到的费米气泡却是分布在银盘上下的两个气泡。这基本排除了费米气泡的暗物质起源。费米气泡的边界清晰（图4），暗示这个结构很可能是一个银河系近期的临时性结构。将图4与图2进行对比，我们发现这个结构的形状与星系反馈出来的气泡或外流颇为相似，因此对费米气泡起源的研究集中在活动星系核反馈与恒星反馈这两个机制。
从2011年开始，不同的恒星反馈模型陆续被提出来解释费米气泡的起源。典型的恒星反馈模型认为银河系在最近的几千万年或几亿年内，有大约10余万颗超新星陆续爆发，产生的气体汇集成了费米气泡。这些超新星来源于银河系中心新形成的大质量恒星。如果气泡年龄是几亿年，所需要的银心恒星形成率和当前相当。如果气泡年龄是几千万年，所需恒星形成率则是当前值的数倍。
银河系中心有一个四百万倍太阳质量的超大质量黑洞——人马座A*，其观测确认与质量测定获得了2020年诺贝尔物理学奖。超大质量黑洞在吸积周围物质的过程中，会将一部分吸积物质的引力能通过准直性很好的喷流或张角较大的外流释放出来，形成巨大的气泡或外流（图5；参考文献[6]）。而人马座A*目前的吸积率非常低，不足以产生较强的喷流或外流。但只要在过去的几百万年或一千万年中有过一段较强的吸积过程，就有可能产生现在观测到的费米气泡。
那么，银河系费米气泡是由一系列超新星爆发产生的，还是由活跃的人马座A*吸积过程产生的？如果是后者，产生费米气泡的是喷流，是从经典的黑洞吸积薄盘出来的外流，还是从很厚的黑洞热吸积流中出来的风？或者，是某种混合机制？真相只有一个，天文学家还在积极探索中，而更多方面的观测细节则是做出突破的重要手段。
下文将介绍笔者与合作者提出的黑洞喷流模型，以及如何利用费米气泡的X射线辐射来探索其起源。
图5：超大质量黑洞的吸积与反馈过程，图片来源：郭福来，参考文献[6]
04
费米气泡的喷流起源模型
笔者提出喷流模型[7]的灵感很简单地来源于如图2左所示的射电瓣（radio lobe）。在射电星系中，我们经常探测到这类由黑洞喷流产生的射电气泡。费米气泡的形状与射电瓣很相似，而且产生射电同步辐射的高能电子也能产生伽马射线辐射。我们的数值计算[7]表明黑洞喷流产生的气泡确实可以解释费米气泡的位置、大小、形状、与清晰的边界。
与射电瓣一样，费米气泡在这个模型中也主要是由喷流喷出物（ejecta）形成的。在喷流中被加速的高能电子传播到整个费米气泡，产生可观测的高能辐射。但是，高能电子在辐射损失下寿命有限，越是能量高的电子其能量损失越快。费米气泡的微波与伽马射线光谱显示其对应的高能电子能谱还没有遭受长期能量损失带来的影响，因此在这个模型中，费米气泡的年龄应该在100-300万年之内。
通过模拟计算[7]，喷流模型预言喷流将在银河系的热气体晕中产生向外传播的正向激波（forward shock），被这个激波扫过的热气体会被压缩并加热，产生可观测的X射线辐射。模拟中激波目前的位置与X射线观测发现的北极枝（North Polar Spur，图6）的外边界比较接近，都位于费米气泡的外面。北极枝处的激波也能加速高能粒子，产生伽马射线辐射，这在费米望远镜的观测数据中也发现了[4]。模拟预言的激波与北极枝比较相符，似乎进一步验证了喷流模型的正确性。事实真是如此吗？
图6：X射线太空望远镜ROSAT在3/4 keV（上）与1.5 keV（下）两个能段全天图中的北极枝（North Polar Spur），图片改编自参考文献[8]
05
费米气泡的X射线辐射——喷流激波模型
让我们来仔细看一下图6（下）。图片中心对应着银河系中心方向，在银心上下两侧，我们可以清晰地看到各有一个圆锥形结构，其顶点刚好位于银河系中心。如果把这个双圆锥形X射线结构与伽马射线能段的费米气泡相对比（图7），我们发现这两个结构在低银纬区域的底部高度重合，显示它们很可能是同一个结构的不同辐射。
图7：费米伽马射线太空望远镜和ROSAT X射线太空望远镜的观测表明费米气泡在低银纬区域与银心双圆锥形X射线结构高度重合。图片改编自参考文献[9]
银心双圆锥形X射线结构的内部辐射较弱，而边界却很明亮。这个特征可以很自然地被解释为正向激波压缩形成的热气体壳层外流。同时，激波加速的高能电子能产生微波同步辐射与伽马射线能段的逆康普顿散射，这正是我们所看到的费米气泡。如果费米气泡与银心双圆锥形X射线结构确实有着共同起源，我们的喷流模型就需要大大修正。喷流驱动的正向激波并不对应着北极枝，反而对应着费米气泡表面。
X射线观测可以限制费米气泡表面壳层内的热气体温度与密度分布，并进一步约束费米气泡的能量与年龄。能量越高的喷流驱动的激波传播速度越快，导致费米气泡年龄越短，温度越高。通过大量的数值模拟并与观测相对比，我们的新工作 [10] 发现由大约500万年前银心黑洞发出的一对喷流所驱动的激波可以产生目前观测到的费米气泡。在喷流爆发期间，人马座A*的吸积率大约是其当前吸积率的一万倍，并总共吸积了大约100倍太阳质量的物质，释放的能量接近于约两万颗超新星爆发所释放的总能量。这个模型很好地拟合了费米气泡的形状、温度、与X射线表面亮度分布。
如果费米气泡表面确实是一个正向激波，那么费米气泡不太可能是由恒星反馈或黑洞吸积过程中的外流产生的 [10] 。这两个过程中出来的外流张角较大，驱动的激波在低银纬区域 （银盘附近） 传播较快较远，无法解释观测到的底部狭窄的双圆锥形X射线结构。相反，沿着银河系旋转轴方向的准直喷流会将大部分喷流能量快速输运到较远距离，导致其驱动的激波在银盘附近传播较慢，自然形成双圆锥形结构。
06
新发现的eROSITA气泡与将来
图8：X射线太空望远镜eROSITA发现的eROSITA气泡（图中青绿色）与费米伽马射线太空望远镜发现的费米气泡（图中红色），图片改编自参考文献[11]
费米气泡的起源谜团就此解开了吗？科学探索需要谨慎、细心、耐心，尤其是批判性思维。我们还需要更多更细致的观测来进一步验证这个喷流-激波模型。如果费米气泡的表面确实是喷流驱动的正向激波，那么喷流喷出物会在费米气泡内部形成一个小一些的结构。我们在将来能看到这个结构存在的确切证据吗？
如果喷流驱动的正向激波是费米气泡表面，这个激波就不能解释北极枝的起源。那么，北极枝是怎么产生的？X射线望远镜ROSAT是1990年发射进入太空的。在近三十年之后的2019年，新一代X射线巡天望远镜eROSITA发射升空。2020年，eROSITA望远镜发现在费米气泡外面有一个更大的X射线波段的气泡——eROSITA气泡 （图8） 。从地球上看过去，这个气泡似乎包裹住了费米气泡与北极枝。eROSITA气泡与北极枝、费米气泡是否有关联？如果不相关，eROSITA气泡很可能是银河系核区的一个比费米气泡更早的反馈爆发现象。那么，会不会有更大的气泡存在呢？这些气泡的真实起源又是什么呢？
目前的银河系核区比较平静，恒星形成率不高，中心黑洞的吸积率也很低。但在不久远的过去，银河系核区似乎经历过一系列高能爆发现象，到了今天，它的“天空”仍保留着如烟花般精彩纷呈的痕迹，留待我们人类去探索其隐藏的秘密。
作者简介
郭福来
2008年在加州大学圣芭芭拉分校获物理博士学位，现任中国科学院上海天文台研究员，上海市天文学会理事，研究领域是理论与计算天体物理，侧重于星系反馈、星系周介质、星系团介质、黑洞天体物理、宇宙线天体物理等方向。
参考文献：
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Fermi_Gamma-ray_Space_Telescope
2. “Microwave Interstellar Medium EmissionObserved by the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe”， Finkbeiner,D. P. 2004, ApJ, 614, 186
https://iopscience.iop.org/article/10.1086/423482
3. “The Fermi Haze: A Gamma-ray Counterpartto the Microwave Haze”, Dobler, G., Finkbeiner, D. P., Cholis, I., Slatyer, T.,& Weiner, N. 2010, ApJ, 717, 825
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/717/2/825
4. “Giant Gamma-ray Bubbles from Fermi-LAT:Active Galactic Nucleus Activity or Bipolar Galactic Wind?”, Su, M., Slatyer,T. R., & Finkbeiner, D. P. 2010, ApJ, 724, 1044
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/724/2/1044
5. “The Spectrum and Morphology of theFermi Bubbles”, Ackermann, M., Albert, A., Atwood, W. B., et al. 2014, ApJ,793, 64
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/793/1/64
6. https://tech.sina.com.cn/scientist/2019-04-10/doc-ihvhiewr4768357.shtml
7. “The Fermi Bubbles. I. Possible Evidencefor Recent AGN Jet Activity in the Galaxy”, Guo, F., & Mathews, W. G. 2011,ApJ, 728, 121
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/756/2/181
8. “ROSAT Survey Diffuse X-Ray Background Maps.II.”, Snowden, S. L., Egger, R., Freyberg, M. J., et al. 1997, ApJ, 485, 125
https://iopscience.iop.org/article/10.1086/304399
9. “The Large-scale Ionization Cones in theGalaxy”,Bland-Hawthorn, J., Maloney, P. R.,Sutherland, R., et al. 2019, ApJ, 886, 45
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab44c8
10.“Simulatingthe Fermi Bubbles as Forward Shocks Driven by AGN Jets”,Zhang, R., & Guo, F., 2020, ApJ, 894, 117
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020ApJ...894..117Z/abstract
11.“Detectionof large-scale X-ray bubbles in the Milky Way halo”,Predehl,P., Sunyaev, R. A., Becker, W., et al. 2020, Nature, 588, 227
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2979-0
制版编辑 | Morgan
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