銀河系盤面存在上下沿伸5萬光年的巨大對稱氣泡

2021-01-15 新浪科技

來源：新浪科技

圖中是結合X射線和伽馬射線觀測到的銀河系

新浪科技訊 北京時間1月13日消息，據國外媒體報導，幾十年以來，天文學家一直在爭議銀河系的神秘氣泡是近而小，還是遠而大，目前最新X射線全天觀測數據表明，銀河系中心存在兩個高溫氣泡，其上下延伸大約5萬光年，比之前發現的費米氣泡更大。

德國馬克斯·普朗克地外物理研究所天體物理學家彼特·普雷德爾首次看到宇宙最熾熱天體地圖時，立即意識到神秘氣泡是銀河系一場大災難之後形成的，一團亮黃色雲在銀河系中心盤面升起，向上延伸大約2萬多光年，同時，在銀河系中心盤面之下，還有一團顏色較暗的孿生雲，向下延伸大約2萬多光年。

普雷德爾說：「該氣泡結構非常清晰，呈明顯的對稱狀，我們要做的就是進行深入分析。」該項研究結果發表在2020年12月9日出版的《自然》雜誌上，將一個幾十年前的想法從邊緣地帶引入主流理論當中。

上世紀50年代，天文學家首次發現一個噴射電波的弧狀結構懸浮在銀道面之上（或者銀道面北側），此後幾十年時間裡，這個「北銀極電波支（North Polar Spur）」開始變得有點像宇宙「羅夏墨跡測試」，部分研究人員觀測到相對距離較近的前恆星內部分散結構，部分研究人員認為這是更大規模宇宙爆炸的證據。

這樣的爭議讓天文學家們十分困惑：凝視太空，卻無法深度洞悉宇宙謎團，美國加州理工學院研究員考斯塔夫·達斯說：「目前我們能夠將3D宇宙結構繪製成2D地圖！」

幾十年以來，大多數天文學家認為「北銀極電波支」是銀河系附近區域，一些研究得出結論稱，它與附近的氣體雲相連，其他人觀察到其背景恆星的扭曲狀況，並推斷它是超新星的殘留物——一團塵霧標誌著死亡恆星的墓碑。

然而，日本東京大學天文學家Yoshiaki Sofue一直認為，對於恆星碎片雲而言，北銀極電波支看起來有點怪異，最終他將這條弧線想像成一個巨大的無形結構，呈現橫跨銀河系中心的一對氣泡。他在1977年進行了一項模擬實驗，模擬出數位化雲層與北銀極電波支排成一線，此後他描述稱北銀極電波支實際是在銀道面上方盤旋，延伸數萬光年，這可能是數百萬年前銀河系一場災難產生的膨脹衝擊波。

如果Yoshiaki Sofue是正確的，那麼銀道面南側應該也有一個對稱結構，天文學家並未觀測到銀道面南側對應結構，大多數天文學家也不相信。

2010年，費米太空望遠鏡觀測到兩個巨大的垂體結構，釋放出微弱的伽馬射線，兩個垂體結構都距離銀河系中心大約2萬多光年，但由於射線伽馬射線太微弱，無法實時跟蹤北銀極電波支，但除此之外，它們看起來就像Yoshiaki Sofue所預測的星系等級大小的熱氣體雲。天文學家開始思考：如果銀河系至少有一對氣泡，那麼極電波支可能是第二組對稱結構嗎？

日本早稻田大學天文學家Jun Kataoka說：「發現在費米氣泡之後，情況發生了戲劇性變化。」新的圖像進一步鞏固了觀點的改變，該圖像是由eROSITA軌道X射線望遠鏡拍攝的，eROSITA發射於2019年，用於跟蹤分析暗能量對星系團產生的影響，2020年6月，eROSITA研究小組發布了一份初級地圖，是基於該望遠鏡前6個月的觀測數據獲得的。

該地較跟蹤分析X射線氣泡，其延伸大約4.5萬光年，吞噬了伽馬射線費米氣泡，這些X射線源自超高溫氣體（300萬-400萬攝氏度）以每秒300-400公裡速度向外膨脹的過程中。而且正如Yoshiaki Sofue所預測的那樣，銀道面北側氣泡不僅與北銀極電波支完美對齊，其鏡像也非常明顯，我特別高興地看到銀道面南側氣泡結構清晰地呈現出來，這與我之前的模擬結果非常相似。

然而，對所有關於北銀極電波支觀測的完整解釋仍然很複雜，例如：附近的超新星殘骸可能偶然停在X射線氣泡的正前方。2020年9月，達斯和同事使用先進設備對遙遠恆星進行觀測分析，發現450光年之外有一些塵埃，以銀河系作為標準進行衡量，這是非常近的距離。

但是eROSITA望遠鏡觀測到的蘑菇雲結構非常清晰明確，大約1500萬-2000萬年前，銀河系中心發生了爆炸，該時期地球上出現了鬣狗和黃鼠狼。普雷德爾參與eROSITA望遠鏡研發設計25年時間，他說：「我認為當前科學家對銀河系神秘氣泡的爭議基本上已經結束了。」

銀河系發生怎樣的爆炸？

基於如此龐大、熾熱氣體雲所需的能量，當前有兩種可能性來源，一種可能性是，數萬顆恆星短時間內誕生並發生爆炸，這與所謂的星暴星系現象十分相似，銀河系中心持續不斷地產生新的恆星、古老恆星陸續死亡，銀河系中心是高密度區域，不斷誕生新恆星，同時部分恆星也接近壽命終點，它們以超新星爆發的形式結束生命。最新觀測到的氣泡內高溫氣體所含能量相當於數萬顆超新星能量總和，相當於大約2000萬年時間裡，10萬顆超新星爆炸，意味著每1000年僅爆發一顆超新星，事實上，但這些氣泡看上去相當「純淨」，缺少爆炸恆星應該布滿的「重原子彈片」，Jun Kataoka說：「這裡的金屬豐度非常小，所以我不相信曾發生過星爆活動。」

另一種可能必是位於星系中心的超大質量黑洞，現今這個相當於太陽質量400萬倍的龐然大物非常平靜，但如果曾有一大片氣體雲距離黑洞很近，黑洞可能會像一盞聚光燈一樣被打開，它會吞噬途經的氣體雲，導致該氣體雲沿著銀道面一切為二，氣體雲會在銀道面上下延伸，使X射線氣泡或者費米氣泡發生膨脹。

天文學家曾觀測到其他星系也存在類似現象，沿著星系盤面上方和下方都有噴射流，目前他們想知道是什麼原因導致這些星系中心超大質量黑洞比銀河系黑洞活動更劇烈，之前觀測的費米氣泡，以及現今觀測的eROSITA氣泡，兩者之間的差異主要取決於時間的變化。（葉傾城）

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