银河系中心的一对巨大气泡,直径达5万光年,竟是黑洞“吹”的?

2010 年 11 月,使用 NASA 的费米伽马射线太空望远镜的天文学家宣布了一项惊人的发现,在我们银河系的中心发现两个完全由强大的伽马射线组成的气泡——费米气泡(Fermi Bubbles)。

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如果以350 万公里/小时速度膨胀的气泡是同心的,并且两者都以银河系核心为中心,这已经足够奇怪了。但更奇怪的是,这两个巨大的气泡每个都在银河系核心黑洞上方和下方看似空旷的空间中盘旋。它们彼此相切,在银河系中心接触,形成一个对应的沙漏形状,整个结构看起来像数字 8 或横向无穷大符号。

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过去科学家对费米气泡的一些观察是在紫外线中进行的,方法是检查来自遥远类星体的光,因为它穿过气体。虽然这些观察结果扩展了科学家对气泡的理解,但它们也有局限性,所以在很大程度上它仍然是神秘的。不过许多天体物理学家还是试图做出了一些解释。

极端能量,一百万个太阳的力量!

第一种解释是星系爆炸。每个费米气泡的直径各约25000 光年,要造成如此巨大的气泡,科学家推测其爆炸的能量释放了大约 10的57次方 尔格的能量。就其本身而言,这个数字——相当于一个 1 后跟 57 个零——对人类而言是相当抽象的,但它相当于太阳在其估计的 100 亿年的整个生命周期中释放的能量的大约一百万倍。

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而这次惊人的爆炸威力足以摧毁距离爆炸中心 3000 光年范围内的任何宜居行星。从地球的角度来看,距离那个距离的九倍远,爆炸仍然是壮观的。而且因为这么大的爆炸需要一段时间才能发生,它的壮观可能会持续数十万年。

所以当时发生了什么事?

费米气泡沿着银河系旋转盘的极轴定向给科学家提供了一丝线索。

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天文学家长期以来一直在遥远的星系中心观察到强烈爆炸或喷发的迹象。正如天文学所指出的,这些爆炸通常以热气体喷射的形式出现,成对地从盘状星系的北极和南极喷出——这是一种独特的模式,由旋转磁场内的能量释放产生。如果银河系在最近经历过类似的爆炸,费米气泡看起来非常像你所期望的,至少在宇宙尺度上是这样。

但什么原因会让星系爆炸呢?通常,星系的中心是一个非常拥挤的区域,星际气体经常会继续落入中心黑洞的强烈引力场中。整颗恒星也可能被引力吞噬并被拉下。恒星的大部分质量和能量穿过黑洞的事件视界并从我们的宇宙中消失。但是有些物质会陷入湍流并偏转,就像雾气从瀑布上方升起一样,这会产生我们在遥远星系中观察到的爆炸和喷流,类似的过程在几百万年前达到顶峰,是费米气泡产生的一个候选因素。

当然,星系爆炸的方式不止一种。众所周知,巨大的垂死恒星会发生超新星爆炸,在星系密集的核心中,大量超新星一起爆发可能会形成宇宙渐强,在其后果中留下这样的气泡。

星系中心超大质量黑洞能量喷发!

如果不喜欢上面那个解释,我们来看看第二种,由我国清华大学和美国密西根大学、威士康辛大学天文学家组成的国际科学团队日前在《自然天文》发表一项新研究指出,费米气泡应该是超大质量黑洞能量喷发所致。即我们银河系中心的 400 万个太阳质量的黑洞在其事件视界内加速了许多捕获的物质时,有一个短暂的狂欢。

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大多数大型星系,包括我们自己的星系,在它们的中心都有超大质量黑洞,这可能并非巧合。但位于银河系中心的那颗,超大质量黑洞人马座 A*(Sagittarius A*,简写 Sgr A*),质量比太阳大 400 万倍,目前处于静止状态,但它在几百万年前“动”了一下。

这研究的依据是参考了意罗西塔(eRosita)泡泡——2019 年发现的、与费米泡泡形状相近,但更巨大、上下对称的 2 个泡泡,距离费米气泡边缘之外数千光年。

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团队将意罗西塔望远镜数据进行流体力学模拟,发现与黑洞喷流的气体温度、密度变化相符,泡泡内圈是黑洞喷出高能粒子放出的伽玛射线,外圈则是气体震波释出的 X 射线,由此证实这两组气泡可能是银河系中心超大质量黑洞从 260 万年开始长时间爆发的结果。

根据这两组气泡所需的喷射功率的估计,人马座 A*的“胃口”非常好。它在10 万年内消耗了大约 1000 到 10000 个太阳质量的物质。不过大部分物质被吐了出来,与周围磁场相互作用后,以接近光速的速度向两侧喷发形成喷流,而且这些喷流以近光速加速物质远离黑洞。就像巨大的粒子加速器一样,这些喷流将质子和中子转化为高能宇宙射线,在银河系中呼啸而过,随着这些射线流入太空,受到银河系密集恒星的阻力,从而形成了费米气泡。

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如果这个解释是准确的,它们不仅可以解释我们银河系中两个最神秘结构的起源,它们还可以让科学家近距离观察超大质量黑洞如何塑造和改变它们周围的星系。如果不是超大质量黑洞喷发导致,那最终的答案可能更奇怪了——暗物质/暗能量,不过这完全又是另一回事了。

但不管是什么原因,我们可以大胆地说,银河系的中心并不总是一个平静的地方。

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