十年前，費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一對(duì)關(guān)于銀河系中心對(duì)稱的巨大氣泡狀結(jié)構(gòu)，這對(duì)氣泡被稱為“費(fèi)米氣泡”，其起源至今仍然是一個(gè)學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的謎團(tuán)。最近，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)的研究人員提出了一個(gè)新模型，首次同時(shí)解釋了“費(fèi)米氣泡”與2003年發(fā)現(xiàn)的銀河系中心雙圓錐形X射線結(jié)構(gòu)的起源。
圖1：藝術(shù)家描繪的費(fèi)米氣泡和銀河系中心雙圓錐形X射線結(jié)構(gòu)示意圖; 圖片來(lái)源： 美國(guó)航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心
圖2：費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡和ROSAT X射線太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)銀河系中心的觀測(cè)，清楚地表明費(fèi)米氣泡在低銀緯區(qū)域與銀河系中心雙圓錐形X射線外流高度重合。(圖片改編自Bland-Hawthorn, J. et al. 2019)
圖3：Zhang&Guo(2020)新模型預(yù)言的X射線1.5 keV波段的表面亮度圖。虛線表示伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的費(fèi)米氣泡輪廓。
根據(jù)這個(gè)模型，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是同一現(xiàn)象，都是由銀河系中心超大質(zhì)量黑洞(Sgr A*)在5百萬(wàn)年前發(fā)出的一對(duì)噴流所驅(qū)動(dòng)的正向激波(forward shock)產(chǎn)生的。目前該工作已正式發(fā)表在天文學(xué)頂級(jí)期刊《天體物理學(xué)雜志》(ApJ)上。
費(fèi)米氣泡是兩個(gè)內(nèi)部充斥著高溫氣體、宇宙射線、與磁場(chǎng)的巨大橢球狀結(jié)構(gòu)。雖然肉眼無(wú)法直接看到，但這對(duì)氣泡的彌散伽馬輻射卻非常明亮。在伽馬射線波段，費(fèi)米氣泡有非常清晰的邊界，該邊界與銀河系中心的這個(gè)雙圓錐形X射線結(jié)構(gòu)的邊界很好地重合。
看到這兩個(gè)邊界的高度重合性，上海天文臺(tái)的研究人員意識(shí)到這兩個(gè)結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上可能擁有共同的起源。雙圓錐形X射線結(jié)構(gòu)可以自然地被解釋為正向激波壓縮形成的熱氣體殼層外流。銀河系中心過(guò)去的一次能量爆發(fā)就可以激發(fā)向外傳播的正向激波。
在以前的理論模型和計(jì)算機(jī)模擬中，費(fèi)米氣泡的能量來(lái)源主要有兩種觀點(diǎn)：銀河系中心的恒星形成與超大質(zhì)量黑洞Sgr A*。然而，這兩類模型都把費(fèi)米氣泡解釋為爆發(fā)噴出物形成的氣泡，而激波則位于費(fèi)米氣泡邊界以外較遠(yuǎn)的地方。因此，這些模型都不能同時(shí)解釋費(fèi)米氣泡和銀河系中心雙圓錐形X射線外流的成因。
相反，上海天文臺(tái)郭福來(lái)研究員和他的博士研究生張瑞玉提出了一個(gè)新的理論模型，首次通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬表明費(fèi)米氣泡與銀河系中心雙圓錐形X射線外流在本質(zhì)上是同一現(xiàn)象。
在該模型中，費(fèi)米氣泡的邊界是一個(gè)正向激波，由大約500萬(wàn)年前Sgr A *發(fā)出的一對(duì)噴流驅(qū)動(dòng)。“關(guān)于這個(gè)模型的一個(gè)好處是X射線觀測(cè)可以較好地約束費(fèi)米氣泡的能量和年齡”，該文通訊作者郭福來(lái)說(shuō)。在紫外波段，通過(guò)測(cè)量費(fèi)米氣泡區(qū)域高速氣體云的運(yùn)動(dòng)，也可以推測(cè)費(fèi)米氣泡的年齡。這個(gè)年齡與新模型中由X射線觀測(cè)確定的年齡比較相符。
新模型表明，在費(fèi)米氣泡爆發(fā)期間，超大質(zhì)量黑洞Sgr A*總共吸積了大約100倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)，釋放的能量接近于約20,000個(gè)超新星爆發(fā)釋放的總能量。
“我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)了另一個(gè)非常有趣的事情。如果費(fèi)米氣泡和銀心雙圓錐形X射線外流具有相同的起源，那么它們極不可能是由恒星形成或黑洞風(fēng)產(chǎn)生的。” 郭福來(lái)說(shuō)。在銀河系中心附近，雙圓錐形X射線結(jié)構(gòu)的底部非常狹窄，而由恒星形成或黑洞吹出的風(fēng)激發(fā)的正向激波很容易傳播到很遠(yuǎn)的距離，導(dǎo)致底部比觀測(cè)到的要寬得多。
相反，準(zhǔn)直的噴流可以沿著噴流方向?qū)⒋蟛糠帜芰靠焖佥斶\(yùn)到較遠(yuǎn)距離，自然會(huì)導(dǎo)致銀道面附近激波波前變窄，形成雙圓錐形結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞一直處于休眠狀態(tài)，沒(méi)有任何噴流活動(dòng)的跡象，但“我們的研究強(qiáng)烈表明，大約500萬(wàn)年前其曾噴出一對(duì)很強(qiáng)的噴流，持續(xù)了大約100萬(wàn)年 ，并產(chǎn)生了至今仍可見(jiàn)的巨大費(fèi)米氣泡。”郭福來(lái)說(shuō)。
