十年前，費米伽馬射線太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一對關(guān)于銀河系中心對稱的巨大氣泡狀結(jié)構(gòu)，這對氣泡被稱為“費米氣泡”，其起源至今仍然是一個學術(shù)界爭論的謎團。最近，中國科學院上海天文臺的研究人員提出了一個新模型，首次同時解釋了“費米氣泡”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; 圖片來源： 美國航空航天局戈達德太空飛行中心

圖2：費米伽馬射線太空望遠鏡和ROSAT X射線太空望遠鏡對銀河系中心的觀測，清楚地表明費米氣泡在低銀緯區(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鏡觀測到的費米氣泡輪廓。

根據(jù)這個模型，這兩個結(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5百萬年前發(fā)出的一對噴流所驅(qū)動的正向激波(forward shock)產(chǎn)生的。目前該工作已正式發(fā)表在天文學頂級期刊《天體物理學雜志》(ApJ)上。

費米氣泡是兩個內(nèi)部充斥著高溫氣體、宇宙射線、與磁場的巨大橢球狀結(jié)構(gòu)。雖然肉眼無法直接看到，但這對氣泡的彌散伽馬輻射卻非常明亮。在伽馬射線波段，費米氣泡有非常清晰的邊界，該邊界與銀河系中心的這個雙圓錐形X射線結(jié)構(gòu)的邊界很好地重合。

看到這兩個邊界的高度重合性，上海天文臺的研究人員意識到這兩個結(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算機模擬中，費米氣泡的能量來源主要有兩種觀點：銀河系中心的恒星形成與超大質(zhì)量黑洞Sgr A*。然而，這兩類模型都把費米氣泡解釋為爆發(fā)噴出物形成的氣泡，而激波則位于費米氣泡邊界以外較遠的地方。因此，這些模型都不能同時解釋費米氣泡和銀河系中心雙圓錐形X射線外流的成因。

相反，上海天文臺郭福來研究員和他的博士研究生張瑞玉提出了一個新的理論模型，首次通過計算機模擬表明費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，費米氣泡的邊界是一個正向激波，由大約500萬年前Sgr A *發(fā)出的一對噴流驅(qū)動。“關(guān)于這個模型的一個好處是X射線觀測可以較好地約束費米氣泡的能量和年齡”，該文通訊作者郭福來說。在紫外波段，通過測量費米氣泡區(qū)域高速氣體云的運動，也可以推測費米氣泡的年齡。這個年齡與新模型中由X射線觀測確定的年齡比較相符。

新模型表明，在費米氣泡爆發(fā)期間，超大質(zhì)量黑洞Sgr A*總共吸積了大約100倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)，釋放的能量接近于約20,000個超新星爆發(fā)釋放的總能量。

“我們在研究中發(fā)現(xiàn)了另一個非常有趣的事情。如果費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產(chǎn)生的。” 郭福來說。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激發(fā)的正向激波很容易傳播到很遠的距離，導致底部比觀測到的要寬得多。

相反，準直的噴流可以沿著噴流方向?qū)⒋蟛糠帜芰靠焖佥斶\到較遠距離，自然會導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，我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞一直處于休眠狀態(tài)，沒有任何噴流活動的跡象，但“我們的研究強烈表明，大約500萬年前其曾噴出一對很強的噴流，持續(xù)了大約100萬年 ，并產(chǎn)生了至今仍可見的巨大費米氣泡。”郭福來說。