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银河系盘面存在上下沿伸 5 万光年的巨大对称气泡

北京时间 1 月 13 日消息,据国外媒体报道,几十年以来,天文学家一直在争议银河系的神秘气泡是近而小,还是远而大,目前最新 X 射线全天观测数据表明,银河系中心存在两个高温气泡,其上下延伸大约 5 万光年,比之前发现的费米气泡更大。

▲图中是结合X射线和伽马射线观测到的银河系

德国马克斯 · 普朗克地外物理研究所天体物理学家彼特 · 普雷德尔首次看到宇宙最炽热天体地图时,立即意识到神秘气泡是银河系一场大灾难之后形成的,一团亮黄色云在银河系中心盘面升起,向上延伸大约 2 万多光年,同时,在银河系中心盘面之下,还有一团颜色较暗的孪生云,向下延伸大约 2 万多光年。

普雷德尔说:“该气泡结构非常清晰,呈明显的对称状,我们要做的就是进行深入分析。”该项研究结果发表在 2020 年 12 月 9 日出版的《自然》杂志上,将一个几十年前的想法从边缘地带引入主流理论当中。

上世纪 50 年代,天文学家首次发现一个喷射电波的弧状结构悬浮在银道面之上(或者银道面北侧),此后几十年时间里,这个 “北银极电波支(North Polar Spur)”开始变得有点像宇宙 “罗夏墨迹测试”,部分研究人员观测到相对距离较近的前恒星内部分散结构,部分研究人员认为这是更大规模宇宙爆炸的证据。

这样的争议让天文学家们十分困惑:凝视太空,却无法深度洞悉宇宙谜团,美国加州理工学院研究员考斯塔夫 · 达斯说:“目前我们能够将 3D 宇宙结构绘制成 2D 地图!”

几十年以来,大多数天文学家认为 “北银极电波支”是银河系附近区域,一些研究得出结论称,它与附近的气体云相连,其他人观察到其背景恒星的扭曲状况,并推断它是超新星的残留物——一团尘雾标志着死亡恒星的墓碑。

然而,日本东京大学天文学家 Yoshiaki Sofue 一直认为,对于恒星碎片云而言,北银极电波支看起来有点怪异,最终他将这条弧线想象成一个巨大的无形结构,呈现横跨银河系中心的一对气泡。他在 1977 年进行了一项模拟实验,模拟出数字化云层与北银极电波支排成一线,此后他描述称北银极电波支实际是在银道面上方盘旋,延伸数万光年,这可能是数百万年前银河系一场灾难产生的膨胀冲击波。

如果 Yoshiaki Sofue 是正确的,那么银道面南侧应该也有一个对称结构,天文学家并未观测到银道面南侧对应结构,大多数天文学家也不相信。

2010 年,费米太空望远镜观测到两个巨大的垂体结构,释放出微弱的伽马射线,两个垂体结构都距离银河系中心大约 2 万多光年,但由于射线伽马射线太微弱,无法实时跟踪北银极电波支,但除此之外,它们看起来就像 Yoshiaki Sofue 所预测的星系等级大小的热气体云。天文学家开始思考:如果银河系至少有一对气泡,那么极电波支可能是第二组对称结构吗?

日本早稻田大学天文学家 Jun Kataoka 说:“发现在费米气泡之后,情况发生了戏剧性变化。”新的图像进一步巩固了观点的改变,该图像是由 eROSITA 轨道 X 射线望远镜拍摄的,eROSITA 发射于 2019 年,用于跟踪分析暗能量对星系团产生的影响,2020 年 6 月,eROSITA 研究小组发布了一份初级地图,是基于该望远镜前 6 个月的观测数据获得的。

该地较跟踪分析 X 射线气泡,其延伸大约 4.5 万光年,吞噬了伽马射线费米气泡,这些 X 射线源自超高温气体(300 万 - 400 万摄氏度)以每秒 300-400 公里速度向外膨胀的过程中。而且正如 Yoshiaki Sofue 所预测的那样,银道面北侧气泡不仅与北银极电波支完美对齐,其镜像也非常明显,我特别高兴地看到银道面南侧气泡结构清晰地呈现出来,这与我之前的模拟结果非常相似。

然而,对所有关于北银极电波支观测的完整解释仍然很复杂,例如:附近的超新星残骸可能偶然停在 X 射线气泡的正前方。2020 年 9 月,达斯和同事使用先进设备对遥远恒星进行观测分析,发现 450 光年之外有一些尘埃,以银河系作为标准进行衡量,这是非常近的距离。

但是 eROSITA 望远镜观测到的蘑菇云结构非常清晰明确,大约 1500 万 - 2000 万年前,银河系中心发生了爆炸,该时期地球上出现了鬣狗和黄鼠狼。普雷德尔参与 eROSITA 望远镜研发设计 25 年时间,他说:“我认为当前科学家对银河系神秘气泡的争议基本上已经结束了。”

银河系发生怎样的爆炸?

基于如此庞大、炽热气体云所需的能量,当前有两种可能性来源,一种可能性是,数万颗恒星短时间内诞生并发生爆炸,这与所谓的星暴星系现象十分相似,银河系中心持续不断地产生新的恒星、古老恒星陆续死亡,银河系中心是高密度区域,不断诞生新恒星,同时部分恒星也接近寿命终点,它们以超新星爆发的形式结束生命。最新观测到的气泡内高温气体所含能量相当于数万颗超新星能量总和,相当于大约 2000 万年时间里,10 万颗超新星爆炸,意味着每 1000 年仅爆发一颗超新星,事实上,但这些气泡看上去相当 “纯净”,缺少爆炸恒星应该布满的 “重原子弹片”,Jun Kataoka 说:“这里的金属丰度非常小,所以我不相信曾发生过星爆活动。”

另一种可能必是位于星系中心的超大质量黑洞,现今这个相当于太阳质量 400 万倍的庞然大物非常平静,但如果曾有一大片气体云距离黑洞很近,黑洞可能会像一盏聚光灯一样被打开,它会吞噬途经的气体云,导致该气体云沿着银道面一切为二,气体云会在银道面上下延伸,使 X 射线气泡或者费米气泡发生膨胀。

天文学家曾观测到其他星系也存在类似现象,沿着星系盘面上方和下方都有喷射流,目前他们想知道是什么原因导致这些星系中心超大质量黑洞比银河系黑洞活动更剧烈,之前观测的费米气泡,以及现今观测的 eROSITA 气泡,两者之间的差异主要取决于时间的变化。

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