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        銀河系盤面存在上下延伸5萬光年的巨大對稱氣泡

        2021-07-29 02:27:21
        中國科學(xué)探險 2021年3期
        關(guān)鍵詞:電波銀河系天文學(xué)家

        據(jù)國外媒體報道,幾十年以來,天文學(xué)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(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)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(xué)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(zāi)難之后形成的,一團亮黃色云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云,向下延伸大約2萬多光年。

        普雷德爾說:“該氣泡結(jié)構(gòu)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(jié)果發(fā)表在2020年12月9日出版的《自然》雜志上,將一個幾十年前的想法從邊緣地帶引入主流理論當中。

        20世紀50年代,天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)一個噴射電波的弧狀結(jié)構(gòu)懸浮在銀道面之上(或者銀道面北側(cè)),此后幾十年時間里,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恒星內(nèi)部分散結(jié)構(gòu),部分研究人員認為這是更大規(guī)模宇宙爆炸的證據(jù)。

        這樣的爭議讓天文學(xué)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(xué)院研究員考斯塔夫·達斯說:“目前我們能夠?qū)?D宇宙結(jié)構(gòu)繪制成2D地圖!”

        幾十年以來,大多數(shù)天文學(xué)家認為“北銀極電波支”是銀河系附近區(qū)域,一些研究得出結(jié)論稱,它與附近的氣體云相連,其他人觀察到其背景恒星的扭曲狀況,并推斷它是超新星的殘留物——一團塵霧標志著死亡恒星的墓碑。

        然而,日本東京大學(xué)天文學(xué)家Yoshiaki Sofue一直認為,對于恒星碎片云而言,北銀極電波支看起來有點怪異,最終他將這條弧線想象成一個巨大的無形結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)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(shù)字化云層與北銀極電波支排成一線,此后他描述稱北銀極電波支實際是在銀道面上方盤旋,延伸數(shù)萬光年,這可能是數(shù)百萬年前銀河系一場災(zāi)難產(chǎn)生的膨脹沖擊波。

        如果Yoshiaki Sofue是正確的,那么銀道面南側(cè)應(yīng)該也有一個對稱結(jié)構(gòu),天文學(xué)家并未觀測到銀道面南側(cè)對應(yīng)結(jié)構(gòu),大多數(shù)天文學(xué)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(jié)構(gòu),釋放出微弱的伽馬射線,兩個垂體結(jié)構(gòu)都距離銀河系中心大約2萬多光年,但由于伽馬射線太微弱,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(yù)測的星系等級大小的熱氣體云。天文學(xué)家開始思考:如果銀河系至少有一對氣泡,那么極電波支可能是第二組對稱結(jié)構(gòu)嗎?

        日本早稻田大學(xué)天文學(xué)家Jun Kataoka說:“發(fā)現(xiàn)在費米氣泡之后,情況發(fā)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(fā)射于2019年,用于跟蹤分析暗能量對星系團產(chǎn)生的影響。2020年6月,eROSITA研究小組發(fā)布了一份初級地圖,是基于該望遠鏡前6個月的觀測數(shù)據(jù)獲得的。

        該地圖跟蹤分析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公里速度向外膨脹的過程中。而且正如Yoshiaki Sofue所預(yù)測的那樣,銀道面北側(cè)氣泡不僅與北銀極電波支完美對齊,其鏡像也非常明顯,可以看到銀道面南側(cè)氣泡結(jié)構(gòu)清晰地呈現(xiàn)出來,這與之前的模擬結(jié)果非常相似。

        然而,對所有關(guān)于北銀極電波支觀測的完整解釋仍然很復(fù)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(shè)備對遙遠恒星進行觀測分析,發(fā)現(xiàn)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云結(jié)構(gòu)非常清晰明確,大約2000萬~1500萬年前,銀河系中心發(fā)生了爆炸,該時期地球上出現(xiàn)了鬣狗和黃鼠狼。普雷德爾參與eROSITA望遠鏡研發(fā)設(shè)計25年時間,他說:“我認為當前科學(xué)家對銀河系神秘氣泡的爭議基本上已經(jīng)結(jié)束了?!?/p>

        銀河系發(fā)生了怎樣的爆炸?

        基于如此龐大、熾熱氣體云所需的能量,當前有兩種可能性來源,一種可能性是,數(shù)萬顆恒星短時間內(nèi)誕生并發(fā)生爆炸,這與所謂的星暴星系現(xiàn)象十分相似,銀河系中心持續(xù)不斷地產(chǎn)生新的恒星、古老恒星陸續(xù)死亡,銀河系中心是高密度區(qū)域,不斷誕生新恒星,同時部分恒星也接近壽命終點,它們以超新星爆發(fā)的形式結(jié)束生命。最新觀測到的氣泡內(nèi)高溫氣體所含能量相當于數(shù)萬顆超新星能量總和,相當于大約2000萬年時間里,10萬顆超新星爆炸,意味著每200年僅爆發(fā)一顆超新星,事實上,但這些氣泡看上去相當“純凈”,缺少爆炸恒星應(yīng)該布滿的“重原子彈片”,Jun Kataoka說:“這里的金屬豐度非常小,所以我不相信曾發(fā)生過星爆活動?!?/p>

        另一種可能是位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞,現(xiàn)如今這個相當于太陽質(zhì)量400萬倍的龐然大物非常平靜,但如果曾有一大片氣體云距離黑洞很近,黑洞可能會像一盞聚光燈一樣被打開,它會吞噬途經(jīng)的氣體云,導(dǎo)致該氣體云沿著銀道面一切為二,氣體云會在銀道面上下延伸,使X射線氣泡或者費米氣泡發(fā)生膨脹。

        天文學(xué)家曾觀測到其他星系也存在類似現(xiàn)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么原因?qū)е逻@些星系中心超大質(zhì)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(xiàn)今觀測的eROSITA氣泡,兩者之間的差異主要取決于時間的變化。

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