天文學家認為費米氣泡由銀河中心噴發而成

2020-08-12 天文在線

　

　　 為了更好地了解銀河中心(GC)和星際介質(ISM)，天文學家們使用WHAM技術集中精力於費米氣泡的研究中，也許有一天我們能夠通過對其的研究會知道幾百萬年前在銀河系中心發生了什麼，從而形成了這些巨大的氣泡。

　　我們對銀河的研究往往會碰到不同尋常的矛盾，比如濃密的氣體會妨礙我們觀察銀河系的中心，使它難以在可見光下被觀察到。不過更遙遠的河外星系未必有這樣的障礙，所以我們使用一些方法，比起身處的銀河系，能更清晰地觀察遙遠的河外星系。

　　

　　銀河系區域的劃分——銀心、銀盤、銀暈、銀冕。圖：moddb

　　

　　為了更好地理解銀河中心（GC）以及星系介質（ISM），天文學家團隊使用了威斯康辛氫α原子繪圖儀（Wisconsin-H-alpha Mapper，WHAM）在部分可視光譜內探索銀河系的核心。

　　

　　威斯康辛氫α原子繪圖儀。

　　

　　研究團隊主要聚焦銀河系的兩個特徵形狀——費米氣泡。費米氣泡由銀河中心發出的高能氣體形成，呈巨大的噴射形狀，因2010年被費米-伽馬射線宇宙天文望遠鏡發現而得名。這些氣泡非常巨大，從銀河系銀盤中噴出並延伸了總共約5萬光年的距離，並以每小時數百萬英裡的速度在運動。

　　

　　在銀河平面的上下兩端，伽馬射線&X線噴射的費米氣泡（NASA-古德哈德宇宙航天中心）

　　

　　WHAM對費米氣泡的觀察刊登在《天文物理學通訊》雜誌一篇名為《費米氣泡測試模型：在銀河中心上方發現高速氫α原子》的論文中，並在第236屆美國天文學會上作了報告。第一作者Dhanesh Krishnarao是一名威斯康辛大學白水分校(UW Wisconsins)的研究生。

　　

　　論文作者Dhanesh Krishnarao

　　

　　在這篇論文之前，費米氣泡主要通過紫外線觀測，它要在遠距離類星體的光線穿透費米氣泡時進行分析。雖然這種觀測拓展了科學家們對費米氣泡的理解，但也有不少局限。它們只能產生於特定的視準線，且不能測量氣體的速度、溫度以及濃度。

　　WHAM是全天型望遠鏡，正如其名，它使用了別的方法——觀察（氣體的）氫α原子。氫α原子內部，當一個電子從第三能量級跳躍到第二能量級時，會發出一條特定光譜——可視光中最亮的氫原子光譜。

　　

　　簡化的羅德福特-波爾氫α原子過程模型。(JabberWok/CC BY-SA 3.0)。上圖：當一個電子（綠）從第三能量層跳到第二能量層時，將產生一個量子並發出明亮的可視光光譜。

　　馬特·哈弗那是論文的合作作者，也是安博德瑞航空大學的天文物理學教授。哈弗那在一次新聞發布會上解釋了WHAM射電望遠鏡如何幫助天文學家加深對銀河中心區域的理解。氣體阻礙了我們觀測銀河中心的視野，但河外星系卻沒有。「現在我們能用一些高精度設備，比如WHAM，觀測銀河的一些區域來獲取銀河中心的新信息，而之前我們只能使用紅外線或者無線電。」哈弗那說道。「我們還可以在其他河外星系建立與銀河中心相同的觀測進行比較。」

　　從事這項研究的科學家還發現了費米泡沫的氮氣噴射射線。他們在氣泡的相同位置合併了新結果跟近期哈勃望遠鏡紫外線觀測結果。論文第一作者Krishnarao在新聞發布會上說：「我們整合了離子化氣體的（射線）噴射跟吸收的觀測結果來推算氣體濃度，壓力跟溫度，這能更好地理解它們從何處來」。 「威斯康辛氫α繪圖儀（WHAM）的觀測揭示了氫α原子的高速運動方向跟[NII]λ6584噴射出的光譜方向是一致的，其速度在紫外線吸收射線的形狀跟費米泡沫一致——即一組雙錐型葉片狀的伽馬射線。」

　　

　　速度：可視噴射與紫外線吸收。

　　天文學家認為費米氣泡在數百萬年前於銀河中心處產生，人馬座A星（SgrA*），一個位於銀河中心的大黑洞，將大量的氫氣雲團吸入積盤，導致巨大的能量噴射。但這項研究並沒有試圖去解釋成因。現在研究者已經有了費米氣泡中氣體的濃度、速度、以及溫度數據，他們可以去驗證不同的模型了。 「這個研究的另外一個重要意義在於，使用全天型WHAM可以測量很多（費米氣泡）區域的濃度、壓力跟速度結構。」 研究的合作作者，威斯康辛大學白水分校教授鮑勃·班傑明說道：「我們可以在銀河平面的上下兩端，努力做出橫跨整個費米氣泡的大型圖繪，來看看目前的模型是否成立。因為與紫外線數據不同，我們不再受限於特定的視準線。」

　　

　　銀河中心與人馬座A星

　　作者在論文中解釋說：「這些可見光譜提供了一種同時控制費米氣泡中離子化氣體的物理狀態，和氣泡內部及銀河中心區域輻射場的新手段」。論文結尾具體描述了一些他們的發現。他們認為費米氣泡的氣體溫度高達8900±2700K，這種高溫高壓比先前模型預測的費米氣泡外殼或銀河內部的高熱氣體光暈溫度還要高。儘管這些發現非常細緻，他們仍然不能確定費米氣泡的成因。不過正如這項研究，天文學家認為WHAM可以在費米氣泡觀測中擔任更多角色。未來的觀測可以跟既存的氣泡觀測聯合起來，拓展我們的認知。「隨著更多觀測，WHAM能大規模地、立體地、動態地追蹤與費米氣泡相關的噴射軌跡。另外、一些研究指出，遠端紫外線光源及其既存HST光譜，可以為橫跨費米氣泡南北部各區域的多種圓環密度提供精準的側寫」

　　或許，終究有一天我們會知道數百萬年前銀河中心到底發生了什麼，形成了這些巨大的氣泡。

　　作者: EVAN GOUGH

　　FY: 汪小勉

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