本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文
作者：文/虞子期
在宇宙的所有星系中，作為棒旋星系的銀河系，應該是我們最為熟悉的一個。其中包括了數以億計的恆星、星雲，乃至星際塵埃和氣體等物質，而我們所生活的太陽系也位於這個空間裡。呈現出扁球體、擁有巨大的盤面結構，是我們對銀河系外觀最深刻的印象，但你或許有所不知，早在2010年的時候，就有科學家通過費米大面積望遠鏡，發現了位於銀河系中心的突出物質，並將其最終被命名為費米氣泡。它們就像是兩個集中在銀河系核心的巨大斑點，不僅擁有神秘的起源、令人驚嘆的擴展速度，甚至還能與亞原子發生相互作用。那麼，爆發於銀河系的巨型氣體間歇泉到底具有哪些特性，在它的內部又發生了哪些奇怪的事？
爆發於銀河系的巨型氣體間歇泉
就費米氣泡的本質而言，其實就是從銀河系中心噴出巨大伽馬射線的氣體噴泉，並且，在這些類似間歇泉的流出物之中，還含有巨大的磁能量，相當於一百萬次左右的超新星爆發事件釋放的能量總和。但這些流出物對於我們人類而言，它並不會製造出可怕的危險，也並不是朝著我們的方向前進，並且，我們和銀河系的中心還有3萬光年的遙遠距離。而費米氣泡就位於銀河系中心的上方和下方，在銀河系平面上下延伸的幅度超過了25000光年，也是我們在銀河系盤面附近發現的最大結構。並且，該區域中還充滿了最有活力的光線形式，也就是所謂的伽馬射線。
科學家們認為，正是由於費米氣泡內產生了宇宙射線這種高能粒子，並通過這些粒子之間的敲擊才導致了伽馬射線的發出。並且，高能粒子的產物並不唯一，同時還會釋放出幾乎沒有質量的中微子。事實上，要製作這樣兩個巨大的熱氣球並不容易，需要足夠多的能量才能讓熱氣體的傳播範圍超過25000光年。關於費米氣泡的起源，充滿了很多種可能，而費米氣泡在銀河系上下方的特殊延伸，或許可以成為一個最強有力的線索，因為這很可能意味著：它們被我們星系中心的超大質量黑洞射手座A *所捆綁。比如，射手座A *將一顆與自己距離太近的恆星撕成了碎片，而在該暴力事件中所釋放出的強大引力能量形成了氣泡。
神秘的費米氣泡具有哪些特性
數百萬年前，銀河系的核心噴發出了兩個巨大的氣泡，它們正在以每小時320萬公裡的速度向外太空擴展，並散發出大量的高能輻射。科學家們對這個銀河系殘餘物的研究，已持續了接近十年的時間，主要是通過無線電波長和X射線來研究它的這些特徵。眾所周知，類星體是一種在超大質量黑洞附近快速引動的粒子，所產生的特殊光源，它的光足以強大到超越自己的母星系，而科學家們正是通過遙遠類星體與宇宙起源光譜儀的配對，測量類星體PDS 456的紫外線在穿過北部氣泡底部時的移動，得出了費米氣泡的擴展速度。
在類星體的提示下，我們可以確定這些材料以大約每秒900到1000公裡的速度湧出銀河系，並通過該速度計算得出氣泡的年齡應該是在250萬到400萬年左右。而我們的星系大約已有132億年的年齡，這意味著氣泡可能具有短暫和重複性，會經常發生在銀河系的整個生命周期中。與此同時，通過新的哈勃觀測，科學家們還確定了那些被氣體吹掃的材料，應該是由鋁、碳和矽這三種成分組成，這些氣體代表了恆星形成的化石殘餘物，並通過恆星內鍛造的重元素富集。而流出氣體的溫度大約在9700攝氏度左右，低於其他氣體1000萬攝氏度的溫度。我們很難從遠處研究其他星系中星暴驅動的氣體流出，但我們卻可以通過銀河系的費米氣泡來近距離地觀察這些地層。
費米氣泡中發生了奇怪的反應
儘管，從費米氣泡第一次被探測到開始計算，至今已有接近十年的時間，然而我們對它的了解依然還很有限。雖然費米氣泡的溫度很高，但由於其內部氣體非常薄，因此我們無法通過肉眼直接觀察，而是通過其中某些物質所散發的伽馬射線，才得以捕獲到它的蹤跡。在之後對費米氣泡進行的研究中，科學家們發現了十個來自該氣泡的高能量中微子（方向相同），也就是說，位於費米氣泡中的某些物質可能會產生這種不尋常的中微子，又或者，這只不過是一個巧合，這些中微子的真正來源是位於費米氣泡之後更遙遠的宇宙空間。
而更為重要的是，科學家們暫時無法確定，為什麼宇宙射線正在產生伽馬射線。或許就是費米氣泡內部的相互作用，導致了伽馬射線的產生，並在這個過程中讓儀器探測到中微子的存在。這不僅是對費米氣泡物理學解釋的一大進步，也能為研究人員提供和它起源有關的重要線索。於是，科學家們又在現有數據的基礎上、結合了新探測器的結果，對收集到的這些信息和氣泡理論模型進行了結合，已探尋最佳組合。畢竟，最正確的科學探索方式，那就是收集足夠的數據、充分排除各種假設，然後將事物推向更好的發展。
可能的情況並不只有一種，π介子可以因為費米氣泡內質子的相互撞擊而產生，衰變後的外來粒子變成了伽馬射線；宇宙微波背景和費米氣泡中的高能電子存在相互作用，其中一些光子巧合地被提升到了伽馬狀態；磁場因為受到費米氣泡邊緣的衝擊波，將一些局部粒子驅動到高速狀態、並因此而發射出宇宙射線。然而，在儘可能地進行嘗試之後，研究人員並沒找到一種適合所有數據的場景，簡單來講，科學家們對費米氣泡的伽馬射線因什麼而驅動、以及在它的內部是否會產生中微子並不確定。