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寬度達45000光年!銀河系兩側的巨型氣泡,到底是什麼?

2003年,當天文學家對銀河系中心進行觀測的時候,意外發現了一些奇怪的宇宙信號。他們試圖利用宇宙微波背景輻射或者暗物質等機制來進行解釋,但都無法達到完美。一時之間,這種神秘的「微波迷霧」成為了困擾天文學家的一大謎題。

2008年,美國宇航局的費米伽馬空間望遠鏡發射升空,進入近地軌道,翻開了人類觀測高能輻射宇宙的新篇章。

僅僅1年之后,費米望遠鏡就取得了重大觀測成果。它對天文學家發現的銀河系中心兩側的神秘微波迷霧進行了觀測,發現了在銀河系上方和下方分別延伸了25000光年的巨大氣泡狀結構,天文學家因此將其命名為費米氣泡。這兩個氣泡在電磁波譜的最高能頻段——伽馬射線頻段發出了明亮的光。

費米氣泡的發現,刷新了人類對銀河系形狀的認知。原本大家以為銀河系是非常扁平的,沒想到在其上方和下方還隱藏著人類未知的結構。

不僅如此,在2020年的時候,一台名為eROSITA的X射線望遠鏡取得了另一個發現,那就是另一對氣泡。這對氣泡在能量略低于伽馬射線的X射線波段發出光芒,但其體型卻更加巨大,達到了驚人的45000光年!要知道,通常我們所說的銀河系半徑,也只有50000光年左右。

對于這兩個巨大氣泡的形成,天文學家一直有不同的見解。最近,日本科學家Yutaka Fujita利用計算機進行模擬,找到了一種可以同時解釋兩對氣泡形成的理論,并在最近的《皇家天文學會月報》上發表了他的最新研究成果。

多年以來,天文學家一直認為,這幾個氣泡和銀河系中心的超大質量黑洞——人馬座A*有關。不過,它們為何會在伽馬射線和X射線波段釋放出光芒,仍然難以確定。我們知道,人馬座A*雖然質量達到了太陽的400萬倍,但它非常平靜,不像其他活躍星系核那樣瘋狂地吞噬。

不過,既然是黑洞,附近又有密集的星際塵埃、氣體乃至恒星,人馬座A*偶爾也會大開殺戒。當它進行吞噬的時候,勢必會對周圍空間產生影響,或許費米氣泡和eROSITA氣泡的形成就與人馬座A*的吞噬過程有關。

當物質向黑洞下落的時候,它們會因為相互劇烈摩擦而產生熱量和光芒。其中一部分物質會被黑洞的磁場引導并加速,最終以接近光速的水平從黑洞的兩極射出,形成等離子體噴流。這種噴流由于速度極高,因此又被稱為相對論性噴流,有的時候,這樣的噴流甚至能在宇宙空間穿梭數百萬光年之遠。

除了相對論性噴流之外,黑洞周圍還會形成宇宙風。帶電粒子流被黑洞周圍的物質甩動,拋射到宇宙空間。

別看今天的人馬座A*非常平靜,但它不是一直這麼沉寂的。天文學家通過詳細的觀測,還是能夠看到它在歷史上活動的跡象的,費米氣泡就是其中一個遺跡。通過對這些遺跡的觀測,天文學家是可以追溯銀河系中心黑洞的活動歷史及其方式的。

為了進行這項研究,Fujita利用了鈴木X射線衛星的數據。鈴木衛星是由美國宇航局和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)共同運營的觀測設備,雖然它現在已經退役,但此前曾經收集了大量的X射線數據。Fujita利用關于氣泡的X射線數據進行了數值模擬,嘗試在模型中通過黑洞進食的過程形成這些氣泡。

通過本次模擬,他準確地再現了X射線結構的溫度曲線。Fujita發現,黑洞周圍快速移動的高能的宇宙風會撞擊周圍星際空間相對脆弱的氣體,其產生的沖擊波會在等離子體之間回蕩,這就會導致X射線的出現。

在論文中,Fujita指出:「我們的研究表明:X射線氣體的密度、溫度和沖擊時間曲線的組合可以成為描述能量注入機制的特征。通過比較數值模擬的結果和觀測結果,我們可以證明這些氣泡是由來自銀河系中心的快速風產生的,因為它產生了強烈的反向沖擊,并重現了那里觀察到的溫度峰值。」

根據他的研究,最有可能的情況是:在吞噬的過程中,黑洞吹出的風以每秒1000公里(約621英里)的驚人速度拋射出去,這個事件在1000萬年的時間尺度下被識別出來,并且應該是在最近一段時間才結束。

他認為,這種黑洞風和天文學家在活躍星系核中發現的外流很相似,或許是調節星系及其中心的超大質量黑洞生長的關鍵機制。它在向外傳播的過程中,大量的帶電粒子和周圍的星際介質相互碰撞,這個過程中產生的沖擊波被反彈回氣泡之中。這種反復的震蕩會導致氣泡內的物質升溫,從而發光。

他還研究了來自銀河系中心的單一爆發性事件的可能性,發現這種情況下無法形成費米氣泡。這也進一步表明,來自銀河系中心的緩慢、穩定的宇宙風是這些氣泡結構的最有可能的產生原因。并且他相信,這種宇宙風只能來自人馬座A*,而不是另一個組成部分——銀河系內的恒星風。

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