撰文：道格拉斯·芬克拜纳（Douglas Finkbeiner） 苏萌（Meng Su）  德米特里·马雷舍夫（Dmitry Malyshev）

本文作者道格拉斯·芬克拜纳是哈佛大学天文学教授、物理学教授，同时也是哈佛-史密森天体物理中心理论计算所的成员。

苏萌是麻省理工学院的爱因斯坦和帕帕拉多研究员，同时也任职于卡弗里天体物理与空间研究所。

德米特里·马雷舍夫是斯坦福大学和美国SLAC国家加速器实验室的博士后，同时也是费米大天区望远镜实验组的成员。

翻译：苏萌

选一个晴朗的夜晚，到一个远离城市灯光的地方仰望星空，你可能会看到一条美丽的光带横跨天际，这就是银河系。自远古时期开始，人们就对这一奇观大为赞叹。但直到四个世纪前，当伽利略使用自制望远镜瞄准星空时，人们才知道，这条绚丽的光带其实是由无数恒星组成的。

几年前，本文作者道格拉斯·芬克拜纳等天文学家利用一种新型望远镜发现了一个从银河系中心向两侧展开的新结构，它向空间中延伸了数万光年，形状就像一对巨型气泡。人们对银河系结构的认识再次被修改。

科学家们现在还不知道这个被称为“费米气泡”的结构到底是如何产生的，但它们似乎与发生在银河系中心最深处的神秘过程相关。尽管发现“费米气泡”的过程近乎偶然，但既然发现了它们，我们就要细致地去研究它们的特性。对这种巨大的银河系气泡的研究将有望揭示关于银河系结构和演变的深层秘密。

微波迷雾

天文学家观察到的一些现象似乎在暗示银河系中心与人们之前设想的有所不同，但最初的暗示并不是来自伽马射线，而是微波辐射。2003年，芬克拜纳试图使用威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（WMAP）的数据来更好地研究宇宙起源。

天文学家只能从银河系内观察宇宙，并需要去除在银河系内穿行的高能粒子（比如电子）发射的微波辐射信号。2003年时，人们已经对这些信号有了相当成熟的理解，但还是有一些信号无法解释。芬克拜纳将银河系靠近核心的区域中无法被去除掉的信号称作“微波迷雾”。

天文学家很快对这个来自银河系中心的神秘信号提出了很多想法。科学家甚至认为认为这团“迷雾”是藏身已久的暗物质的信号。引力会把暗物质拉向星系中心。在银河系中心这个暗物质相对密集的区域里，暗物质粒子偶尔会发生碰撞，可能会产生一对正负电子。当这些带电粒子游走在银河系中心纷乱无序的磁场中时，会发生同步辐射——带电粒子改变运动轨迹时会释放这种辐射。

有科学家认为的“微波迷雾”可能是由暗物质发射的同步辐射造成的。但如何才能判断这一推论是否正确？研究人员想到，产生同步辐射的电子还会带来一个附加结果，它们可能会与光子发生碰撞，从而使光子加速，达到极高能量，这一过程被称为“逆康普顿散射”。

很快，科学家就达成了共识。如果“微波迷雾”是由高能电子（或许是暗物质湮灭的产物）产生的，那么我们应该能够找到对应的、由同样的电子产生的高能伽马射线。研究人员随之把目光投向费米伽马射线空间望远镜——专门用于研究太空伽马射线的设备。

2009年8月24日，研究人员向公众发布了费米望远镜获取到的数据。通过用原始数据绘制图像，芬克拜纳发现伽马射线天图中有一个暗弱的边界，伽马射线信号的强度在到达该边界时急剧下降。在天文学中，明显的边界往往来自于非稳恒的天体发射的信号。如果伽马射线信号确实是由暗物质产生，那就不应该出现明显的边界，而应该是随着距离银河系中心越来越远，信号也慢慢变弱。

研究人员立即投入了紧张的研究分析工作中，试图从数据中得到最精确的边界形状。数天后，研究人员发现这个信号并不是来自于暗物质。“气泡”的概念出现了。他们在论文中描述了这个新发现的结构，并将其命名为“费米气泡”。

“费米气泡”制造者

尽管此前从未有人想到过该“气泡”的存在，但这对处于银河系中心、由高能宇宙射线组成并且跨度达到数万光年的巨型“气泡”其实并非那么令人震惊和不可理解。

很多星系都有“气泡”状结构。有些情况下，“气泡”的起源可以追溯到大质量黑洞。星系中的物质落向黑洞时会开始旋转，就像浴缸中的水流旋转流走的样子。由炙热气体和尘埃组成的漩涡会产生很强的磁场，向外喷射由高能辐射和高能宇宙射线粒子组成的喷流，从而产生类似的“气泡”结构。

银河系中心也有一个超大质量黑洞，但科学家从来没有观测到从黑洞中心喷射出强烈的辐射喷流，也就没有直接证据来推断“费米气泡”是由这一过程产生的。

另一方面，在银河系中心上方很远的地方存在一个巨大的气体云——麦哲伦带。如果曾有一个强大的喷流指向那里，麦哲伦带中的原子的电子会被剥离。当这些电子和原子核重新结合时，会产生所谓的“复合辐射”。大约一百万年前，银河系中心的黑洞的确发生过一次剧烈的物质吸积，在这一过程中产生了高能喷流以及紫外辐射，把麦哲伦带中的电子从原子中剥离。“费米气泡”可能就是在这一事件中产生的。

另一种解释是，像临近的M42星系一样，“气泡”结构是由星系核心处激烈的恒星形成过程导致的。质量越大的恒星，内部核燃料的消耗速度就越快。核燃料消耗殆尽时就会产生超新星，这时恒星内核坍缩，同时释放出大量能量并把外层物质剥离，最后成为中子星或黑洞。众多的超新星可以产生充满高能粒子的星风，从银河系中心“吹”出巨型“气泡”。

在银河系中心的确有一个恒星形成相对剧烈的区域。几千个恒星围绕在黑洞附近，这些恒星差不多只有600万年的年龄，跟宇宙年龄相比不过是一瞬间。如果在那一时期也形成了一些超大质量恒星，600万年的时间足够它们演化为已经爆炸的超新星。这些超新星形成的巨型星风从银河系中心处吹出，具有足够的能量形成“气泡”结构。

后续计划

正如科学家们所看到的，“费米气泡”的形成和演化跟银河系的历史演化密不可分。“气泡”还可以告诉人们，位于银河系中心的黑洞是如何把周围的物质拽向它，高能宇宙射线如何跟星系际介质相互作用的。

沿着这条研究思路，研究人员试图从电磁波谱的各个能段来研究“费米气泡”。虽然它如此巨大，并且在伽马射线段非常明亮，但在其他波段几乎难觅踪迹。普朗克卫星在微波波段对整个天空做了详细的观测，研究人员期望它提供的新数据能为研究“气泡”提供新的线索。

自伽里略发现银河系是由无数恒星组成以来，人们花了300年的时间才意识到，我们的星系不过是数千亿个星系中的普通一员。希望这次科学家们不需要再花上300年，就能理解“费米气泡”到底要告诉我们怎样的宇宙奥秘。

本文由《环球科学》（《科学美国人》中文版）供稿，编者有删改。

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