天文太空

銀河系巨大費米泡

新近研究發現,銀河系中心有延伸數萬光年的巨大費米泡,它們的起源到底是黑洞的高能噴流,還是一大群超新星的恆星風呢?

撰文/芬克拜納(Douglas Finkbeiner)蘇萌(Meng Su)馬里雪夫(Dmitry Malyshev)
翻譯/李沃龍

天文太空

銀河系巨大費米泡

新近研究發現,銀河系中心有延伸數萬光年的巨大費米泡,它們的起源到底是黑洞的高能噴流,還是一大群超新星的恆星風呢?

撰文/芬克拜納(Douglas Finkbeiner)蘇萌(Meng Su)馬里雪夫(Dmitry Malyshev)
翻譯/李沃龍

重點提要
■費米γ射線太空望遠鏡的觀測顯示,銀河系中心有長達數萬光年的巨大結構,這些γ射線波瓣稱為「費米泡」。
■天文學家尚未明瞭費米泡的形成機制,但懷疑這些泡泡是新近發生於銀河系中某些劇烈事件遺留下來的線索。
■目前有兩種主流的解釋:這些泡泡形成的原因可能是銀河系中心黑洞發出的高能噴流,或是一大群超新星累積出的恆星風。

在遠離城市燈火的清朗夜裡,你應能看見一道貫穿蒼穹、漂亮的拱形構造,那是我們居住的星系——銀河系。自古以來,人們就對黝黯塵雲映襯的乳白帷幕讚歎不已。約400年前,伽利略以望遠鏡觀看天空,因此發現了那片乳白帷幕竟是由無數恆星的星光混雜而成。

不久之前,天文學家才再度更新了人們對銀河系結構的認知。我們與眾多同事使用全新型態的望遠鏡,發現了星系中心隱藏著一個巨大的結構,深入太空數萬光年。由於它發出耀眼的γ射線無法穿透地球大氣,因此長久以來我們一直沒有發現這些明亮的波瓣結構。

目前我們仍不知道,究竟是什麼原因造成這些我們稱為「費米泡」(Fermi bubble)的結構,但銀河系中心深處的某些神秘機制似乎是造成它們的原因。銀河系中心是個混沌無序的區域,除了超大質量黑洞激起翻騰不止的熱氣漩渦外,猛烈爆發的超新星在孕育恆星的這片沃土上如繁盛水仙般恣意綻放。

就像許多令人出乎意料的發現一樣,我們也是在很偶然的狀況下找到這些費米泡。既然已經發現了它們的蹤影,我們便開始審慎地描繪其特性,銀河系的巨大費米泡或許可以破解我們星系歷史與結構上的深層秘密。

暗物質的證據?

第一個顯示銀河系內部有些怪異的徵兆,並非來自γ射線,而是微波訊號。2003年,我(芬克拜納)正使用當時最新、最棒的宇宙學衛星威金森微波異向性探測器(WMAP)的數據,試圖進一步理解宇宙的起源。那時我是美國普林斯頓大學的博士後研究員,正在研究銀河系裡的星際塵埃如何遮蔽WMAP欲研究的目標──大霹靂暗淡餘暉散發出的微波訊號。雖然塵埃本身就是個有趣的研究主題,但對宇宙學家而言,它就像附著在擋風玻璃上的污垢一樣,是個經分析模擬後該從數據上去除的東西。

不過塵埃並非我必須排除的唯一事物,由於天文學家是從銀河系內觀測宇宙,我還要移除諸如電子等高能粒子穿越銀河系時產生的微波訊號。2003年時,天文學家對於這些訊號已有相當詳盡的了解,卻仍發生了一件怪異的事。我能模擬大部份的星系輻射,但當我試著從觀測銀河系內部的數據中排除它時,總會留下某些訊號,我把這些殘留的訊號稱做「微波薄霧」(microwave haze)。

我們無法解釋這種來自星系中心的神秘訊號,但天文學家立刻有了一些想法,在各種可能性中最令人興奮的,莫過於這片薄霧是暗物質遺留下來的線索。從來沒有人知道暗物質究竟是什麼,只知道它透過重力與一般物質交互作用。科學家推論重力會抓著暗物質朝星系中心聚集,在銀河系核心處的稠密暗物質雲裡,或許暗物質粒子會偶爾碰撞,並可能在此過程中產生一個電子與一個正子。

即便我們無法看見暗物質,卻應該能夠找到這些粒子的蹤影。當它們繞著星系中心複雜糾結的磁場而穿越時,會發出所謂的同步輻射──那是帶電粒子改變行進方向時所放出的電磁波(參見右頁〈宇宙輻射指南〉)。

該如何才能確認這片微波薄霧究竟是不是暗物質間接製造出的同步輻射呢?因為我們知道能夠產生同步微波輻射的電子,也可能發生另一種效應:當它們與光子碰撞時,根據「逆康普頓散射」(inverse Compton scattering)機制,那些光子的速度將會變快並具有非常高的能量。

大家很快便得到了共識:如果微波薄霧真的是高能電子(或許來自暗物質湮滅)造成,那麼我們應該也會找到高能量的γ射線。於是我們把目光轉向費米γ射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope),那是專門設計用來研究太空裡γ射線的儀器。

費米γ射線太空望遠鏡在2009年8月24日向大眾釋出了它的觀測數據,那時我早已升格成為教授,便與當時的博士後研究員都伯勒(Gregory Dobler)急忙繪製我們的第一幅銀河系γ射線分佈圖。日以繼夜工作了幾天後,我們從觀測銀河系內部的數據中找到了殘餘的γ射線薄霧,它看來與微波薄霧吻合。我們與同事很快提出一篇論文,論述這些訊號彼此間的關聯,宣稱它們可能全都由銀河系中心的一群高能電子造成,但並未推測這些電子的來源。

另一條線索稍晚才浮出檯面。2009年10月,當我在研究室裡使用剛釋出的費米γ射線太空望遠鏡數據重新繪製第一篇論文的某些圖時,注意到原先的γ射線數據圖顯現出幾道微弱的邊緣稜線──那是訊號驟然下降時造成的清晰邊界。在天文學上,瞬間陡升陡降的圖像通常來自瞬變事件。例如,超新星發出的震波在我們望遠鏡的數據裡看來就形成一道清晰無比的邊緣稜線。隨著時間演進,銳利的稜線會逐漸消失無蹤。

假如暗物質真的是引發γ射線的源頭,當你越遠離銀河系中心,如此清晰的陡降稜線應該緩緩消逝;因為暗物質的湮滅持續了數十億年之久,任何銳利的稜線早就已經消耗殆盡。

在費米γ射線太空望遠鏡的第一批數據裡,那些邊緣稜線看來並不平整,因此我們判定為雜訊而忽略不計。現在它們又出現在新的數據裡,而我開始有了新的想法。我讓當時的研究生蘇萌與史萊堤爾(Tracy Slatyer)檢視這些數據,他們也認為那並非雜訊。然後蘇萌便全心投入開始研究,我想他幾乎是不眠不休地在推測那些邊緣稜線的確切形狀。幾天之內,我們完全改變了當時對於觀測數據的看法,是高能宇宙射線構成了這個巨大結構,而非暗物質。2010年5月,蘇萌、史萊堤爾與我向《天文物理期刊》提交一篇論文描述這些結構,並命名為費米泡,向費米γ射線太空望遠鏡致敬。


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