【研究成果】揭密銀河系巨大泡泡形成過程 一個260萬年前的古老故事

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  許芷辰 (科學推展中心特約編輯)


圖一、內層是因黑洞噴流(jet)而產生的費米泡泡;外層是因氣體被壓縮而升溫所釋放出的eRosita泡泡。

隨著費米伽瑪射線(Fermi Gamma-ray)太空望遠鏡發射升空,科學家們描繪出兩個對稱於銀河系星盤兩側的巨大泡泡「費米泡泡」。當時銀河系外的泡泡彼端,還不曉得他們的身世之謎會在地球此岸被這樣訴說:20223月,在《自然天文學》(Nature Astronomy)國立清華大學物理系與天文研究所合聘之楊湘怡助理教授研究團隊刊登了一個260萬年前的古老故事

費米泡泡

早在2004年探索宇宙背景輻射時,科學家就發現了以銀河系星盤為中心半徑約一萬多光年的區域,大量瀰漫著微波輻射,因對其的一切皆是謎團,所以研究團隊稱其為「微波迷霧(microwave haze)」。當時不解的謎團在2010年費米伽瑪射線(Fermi Gamma-ray)太空望遠鏡的觀測下有了新的發現,銀河系星盤上下兩側各存在著球狀的伽瑪射線,並命名其為費米泡泡(Fermi Bubbles)。但這一發現帶來了更多謎團:如何成形?存在的時間多久?

當時各種理論假說在天文學界炸開了鍋,「公說公有理,婆說婆有理」各種假說之間一直爭論不休。楊教授研究團隊也加入了這個天文學上的大疑問。經過多年的研究,提出了各種理論模型,也討論了費米泡泡是否可能由銀河中心的黑洞過去的噴流活動(jet activity)所形成。而當時的結果顯示研究團隊提出的理論模型的確與已知觀測的費米泡泡數據相當吻合,然而其他學說的模型亦能符合,這又回到了「尚未能定論」這個開頭。

黑洞噴流(jet)與外流(outflow)

這邊容我打斷,補充一下為何前面提到楊教授研究團隊要探討黑洞噴流活動的可能性。首先要先知道黑洞並不是想像中只會吞噬掉所有的物質,的確黑洞本身強大的引力會吸積周圍氣體進而形成吸積盤(accretion disk),不過吸積盤會藉由噴流或外流向外拋射等離子體,帶離多餘的角動量。

回到費米泡泡的故事,科學界有一派學說認為在數百萬年前,銀河系中心的超大質量黑洞可能吸積了大量氣體,並在過程中將能量以噴流或外流的形式向外拋了出來,進而形成了巨大費米泡泡。團隊成功模擬出黑洞噴流形塑出費米泡泡,也就離真相更近了一點。

eRosita泡泡

在每個學說都提出模型模擬出費米泡泡形成機制之際,2019年七月eRosita X射線望遠鏡升空。不同於費米太空望遠鏡觀測伽瑪射線,eRosita望遠鏡這次著重於宇宙X射線的記錄。在eRosita望遠鏡服役約半年後就在銀河中觀測到兩個比費米泡泡更巨大的X光泡泡,稱其為「eRosita泡泡」,對稱於銀河系星盤兩側,直徑在天空上約有80度的張角,形狀酷似先前的伽瑪射線費米泡泡,因此很有可能都是來自銀河系中心的同一件事件,所以先前提出的理論模型若能同時驗證eRosita泡泡的形成,那我們離真相就不遠了。

三維磁流體力學電腦模擬(MHD Simulation)

最後楊教授研究團隊利用三維磁流體力學電腦模擬,成功重現了費米泡泡、eRosita泡泡與微波薄霧三種不同的重要觀測特徵。其研究論文發表於國際知名期刊《自然天文學》(Nature Astronomy)[1]

一個260萬年前的古老故事

接下來就來聽聽楊教授研究團隊的電腦模擬娓娓道來:在260萬年前,銀河系中心的黑洞朝著銀河系星盤的上下兩側噴出兩道噴流,噴發持續的時間約為10萬年,兩道噴流分別帶有1050 焦耳的強大能量,且速度接近光速運動。這期間黑洞必須從周圍吸積約1000-10000倍太陽質量的物質,才能產生足夠的噴流能量來形成如此巨大的泡泡們。

噴射出的高能電子與低能量的光子碰撞,並將能量傳遞給光子,這使得光子從低能量的可見光,躍遷成高能量的伽瑪射線,也就是我們一直所談的伽瑪射線費米泡泡(如圖一)。

高能電子在銀河系的磁場中運動的同時,以同步輻射(synchrotron radiation)的方式釋放微波(microwave),形成最早提到的微波薄霧。

最後強大的噴流在撞擊銀河系中的氣體時,會產生高速移動的震波(shock wave)。震波所到之處,壓縮氣體而加溫就釋出 X 射線,成為所謂的eRosita泡泡(如圖一)。

也就是說,或許銀河系的黑洞現在處於休眠期,但其實數百萬年前曾經發生極為激烈的噴流活動,這些事件的碎片將會一點一滴拼湊出整個宇宙的故事。


參考文獻

[1] H.-Y. Karen Yang, Mateusz Ruszkowski, Ellen G. Zweibel. Nature Astronomy, 6, pages584–591 (2022). DOI: 10.48550/arXiv.2203.02526

[2] https://pansci.asia/archives/347235

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