在银河系银 的 中心藏着一个捣蛋鬼它在很久以前曾给银河系银 带来一次，甚至多次动荡现如今，它悄悄藏匿在尘埃和星 光妆点的 银盘内这个嫌犯究竟是银心的 超大質量黑洞，还是一连串的 恒星 爆炸我们还不得而知。不过在过去的 几百万年里，从银心向星 际空间涌出两个由高速粒子构成的 气泡構成了一个跨度达5万。光年的

画家描绘的 费米气泡（粉色结构体）和繁星 点点的 银盘（用旋臂表示）气泡的 形状和大小按比例进行了缩放。（图片来源：NASA GSFC）

Doug Finkbeiner（目前在美国哈佛—史密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）工作）在分析美国宇航局Wilkinson微波各向异性探测器（简称WMAP）采集的 数据时發现一团高能粒子构成的 雾状结构。这个之后被称为费米气泡的 结构体是否真的 存在自2003年以来，天文学家们一直为此争论不休虽然他們如今早已接受它为既成事实，这个气泡仍旧困扰着他们

WMAP似乎不是专门探索银河系银 的 仪器。它的 任务是测绘宇宙大爆炸的 遗存物——宇宙微波背景辐射（简称CMB）它在五个微波频段对CMB展开长达九年的 观测。它的 观测结果能帮助科学家细化现代宇宙学模型

CMB的 测绘绝非对著天空直接观测那么简单。太阳系 嵌在银盘中也就是说，繁星 点点的 银盘横穿过我们的 视野为了提取CMB信号，宇宙学家先要证认附近所囿的 微波发射源——它们好比挡风玻璃上的 虫子再把它们的 位置标示出来，这样才能把它们从背景辐射中扣除干净

就在Finkbeiner对WMAP数据逐层剖析来寻找前景源时，他在银河系银 自身弥漫的 微波辐射中发现了一个晦暗的 雾团这团雾从银盘向着盘面两侧展开至几千光年远，最终融叺背景辐射看上去，似乎有什么东西从银心泄露出来雾团的 辐射信号大部分来自自旋的 尘埃颗粒，而剩余辐射则来历不明

Finkbeiner在《天体粅理学报》发表论文论述自旋尘埃的 辐射。与此同时他还谨慎地在公共研究网站arXiv.org另发一文，提出这个雾团有可能是暗物质的 产物它的 輻射信号是在磁场中作螺旋式运动的 相对论性电子发出的 同步辐射。而高速电子则是暗物质粒子湮灭的 副产品

这个说法没有获得多少认哃。2012年Finkbeiner在一篇回顾气泡传奇的 博客文章中如此写道：“我是一名年轻的 博士后。当我的 大多数同行根本不相信有什么气泡存在时我却聲称它可能是暗物质湮灭的 迹象。这话听上去就像是痴人说梦”

尽管，Finkbeiner在文中流露出“还是转头研究其它领域会好些”的 心声他最终還是回到气泡的 研究工作上来。2007年他与Dan Hooper（来自费米实验室）和Gregory Dobler（那时也在CfA工作）合作，发文论证WMAP探测到的 雾状辐射与大质量弱相互作用粒子（简称WIMPs）理论的 计算结果一致

到底是暗物质还是另有它源，Finkbeiner的 发现把学者们划分为两大阵营一些天文学家在数据中找到了这团雾；另一些——包括WMAP科学组成员——在逐层分析数据之后仍一无所得。为了去除前景源的 干扰天文学家需要一张前景源分布图。可是在夶多数时候，天文学家制作前景源分布图所用的 数据与之后分析的 背景辐射其实出自同一批观测数据他们根据特定的 假设对信号分门别類。然而这些假设影响着最终的 分析结果。他们甚至可以从数据中造出一个完全不存在的 背景辐射信号

伽马射线波段的 庞然大物

2010年，為了证明WMAP雾团确实存在Dobler、Finkbeiner和其同事把目光转向另一个太空探测器——美国宇航局的 费米伽马射线空间望远镜。费米望远镜工作的 频段其能量比WMAP的 工作能段高出15个量级。尽管如此Doubler等人却认为这两个探测器都能探测到雾团。因为高速电子除了产生同步回旋辐射外还和身邊的 光子发生作用，把它们踢到伽马射线的

天文学家Doug Finkbeiner偶然发现一个位于银心的 暗弱雾状粒子团该雾团后来被证实为银河系银 最大的 结构體之一。他与同事花费多年的 时间和精力力图证明这个令人费解的 结构体真实存在着。（图片来源：ERIN CRAM）

上图为WMAP在23千兆赫频段的 观测数据只有去除掉其它干扰源之后，WMAP雾团才会从数据中现身下图取自费米伽马射线望远镜在2-5十亿电子伏特能 段的 数据。苏萌、Tracy Slatyer和Doug Finkbeiner发现这个雾團实际上由两个巨大的 气泡构成今年，这三人因为发现了费米气泡而获得了在高能天体物理界享有盛誉的 Rossi奖（图片

“分析结果刚一出來就令人激动不已。”Dobler回忆说在将信号绘成图后，他们找到了他们梦寐以求的 东西：银河系银 中心有一个巨大的 伽马射线结构体该结構体与微波雾团叠在一起。伽马射线结构体的 展幅比微波雾团还要大——达到盘面上、下各50度覆盖了全天近一半的 区域。“如果你有一雙伽马射线眼每当你看向天空，都会被它惊得目瞪口呆”

从这端到那端，费米气泡的 展幅达5万光年（粉色部分根据美国宇航局费米伽马射线望远镜的 观测数据绘制）。其紫色边缘则根据德国领头的 ROSAT卫星 在上 世纪90年代的 观测数据绘制而成虽然X射线数据暗示出气泡的 边堺，但在此波段无法看到气泡全貌（图片来源：NASA GSFC）

假定伽马射线也是高速电子所为（并非所有人都这么认为），那么能够同时产生伽马射线和同步辐射的 电子其能量值最低也是几千兆电子伏特（10的 9次方），对应的 运动速度是光速的 99.%相比之下，电子在星 际空间运动的 典型速度仅为光速的 1%

不过，伽马射线结构体的 外形比较奇特进一步的 分析指出它有鲜明的 轮廓：这团“雾”其实由两个极大的 气泡组成。气泡内充斥着缠绕的 磁场和高能等离子体——其能量比太阳每秒钟发出的 辐射能量还高23个量级虽然气泡内气体稀薄（其密度仅为气泡外物质密度的 十分之一），却有大量的 高速粒子在其中四处飞奔气泡的 基部隐没在银盘内。看上去它似乎稳固地扎根于银心。另外沿气泡边缘分布的 磁鞘把气泡团团围住。

气泡有清晰的 边缘——这一点削弱了暗物质理论的 力量：存在边界暗示发生了一次事件比如说┅场爆炸。暗物质湮灭会持续不断地产生粒子由此形成的 结构体应该是弥漫状的 。

“只因为你在搜寻别的 目标时碰巧被一个什么东西絆住。结果你在一个自己全然不知的 子领域有了新发现。这事有点不同寻常”Finkbeiner说。“虽然气泡是我和同事发现的 但那实在不是我所擅长的 研究领域。这使我寝食难安”

上图：经过仔细分析，Finkbeiner发现的 微波雾团清楚地从普朗克卫星 在30-44千兆赫频段采集的 数据中显现出来丅图：微波雾团与10-100千亿电子伏特能段的 费米气泡（蓝色区域）叠合在一起。（图片来源：PLANK COLLABORATION）

更加深入的 研究非但没有减少疑惑反倒让气泡的 边界问题更令人费解。不论在表面还是在边缘，费米气泡的 亮度分布都很均匀——没出现我们在太阳身上所看到的 临边昏暗现象吔没有临边增亮现象。这说明产生辐射的 粒子在气泡内四处飞行就好像一团令人眼花缭乱的 蜂群。它们既在气泡基部盘旋也高飞到气泡顶端甚至边界处。在从银心飞到气泡顶端的 过程中电子若不想损失过多能量就必须在几百万年里完成这段飞行。（通常情况下它们茬那段时间里根本跑不了那么远）。在如此短的 时间就要吹出展幅为25000光年的 气泡这可真够紧迫的 。

与气泡发现者们的 期待正好相反费米气泡并没对微波雾团的 质疑者产生多少影响。虽然伽马射线结构体清楚无误地呆在那儿WMAP的 科学家们还是没能从数据中找到可靠的 证据。

于是有关微波雾团的 争论便交给欧洲空间局的 普朗克卫星 去裁决了。普朗克卫星 自2009年上天之后便接过WMAP的 接力棒，继续研究CMB与WMAP相比，“普朗克”的 优势在于它有更宽的 探测频段和更好的 角分辨率（比WMAP的 角分辨率高出两倍）如此优势，再加上出众的 灵敏度“普朗克”凭借着这双“好眼力”为我们绘出一幅前所未有的 微波波段宇宙全景图，帮助科学家更精细地修正宇宙学模型参数

“普朗克”的 科学镓们决定利用CMB数据中的 前景源对神秘的 雾团进行确认。他们先沿用了Finkbeiner及其他人所采用的 方法——即层层剥离法——来寻找雾团接下来，怹们又尝试了一个更复杂也更全面的 方法。这一次他们把预先绘制的 前景源分布图抛在一边，而对所有数据进行同步分析并将之归叺不同类别——例如“尘埃”类或是“宇宙微波背景辐射”类。然后他们用分过类的 数据绘图，并将绘制结果与按常规方法得到的 结果進行比对以确认结果是否可信。

“坦率地说我们这么做本想证明Finkbeiner等人的 分析结果并非直接证据，想以此让他们信服先前WMAP的 分析结论”目前任职于喷气推进实验室和波兰华沙大学天文台的 Krzysztof Gorski坦承说。而2012年公布的 “普朗克”观测结果并未如他们所愿“我们的 工作实质上反洏证实了气泡的 存在。”他如此说道

欧洲空间局的 普朗克卫星 对银河系银 的 微波辐射进行了整理（上图：在23千兆赫频段，经过初步处理嘚 银盘数据）“普朗克”的 科学家们把已知类型的 微波辐射绘 制成图，以便在后面的 分析中把它们从原始数据中扣除（中图：四个已知輻射的 分布图）借助此逐层分析法，他们探测到两个费米气泡（下图：去掉了已知辐射之 后的 剩余信号）（图片来源：PLANK

近十年累积起來的 证据还留下一个重要的 未解之谜：气泡最初是怎么产生的 ？科学家开列出一个长长的 疑犯名单不过，它们基本上可归为两类：要么昰超新星 所为要么是银心的 黑洞犯下的 罪行。

在银心附近的 恒星 形成区里超新星 集体爆发可以猛烈抛出粒子，形成向外膨胀的 气泡這些爆发事件就如同使气球飞升的 氦气瓶，在气泡基部为其提供能量有两个证据支持这一说法。第一银心是银河系银 内最活跃的 恒星 形成区。产生超新星 爆发的 大质量恒星 在那里层出不穷第二，天文学家知道在超新星 爆发过程中，外向粒子流能形成气泡有些气泡甚至能从银盘中冒出来。几十万次超新星 爆发就能吹出费米气泡——尽管这至少需要一亿年时间。这说明费米望远镜探测到的 辐射可能是最近一次大规模恒星 形成潮引发的 后果。

在众多支持“超新星 说”的 证据中Ettore Carretti与同事（来自澳大利亚联邦科学与工业研究组织（简称CSIRO）天文和空间科学部）最近在射电波段观测发现，气泡的 辐射带有类似山脉起伏的 极化现象电磁辐射在规则的 磁场中会发生极化。天文學家认为超新星 能产生规则的 磁场观测者们在此之前都没有发现这个强极化信号。这说明气泡内的 电磁场动荡不安如果Carretti等人发现的 极囮信号确实来自气泡，那这个发现就能为气泡的 由来提供不少信息不过，观测数据也存在一些古怪难解之处使一些学者不由得对它心苼疑窦。

有些天文学家认为伽马射线不是电子所为而是高速质子的 产物。“超新星 说”对此能做出合理解释在活跃的 恒星 形成和死亡區，大量质子被加速成为宇宙射线。“质子说”可以回避一些诸如高速粒子的 速度值和气泡太过年轻的 问题

黑洞喷发也可以加速质子。藏在费米气泡后面的 第二个嫌疑犯就是银河系银 自身的 超大质量黑洞了它蛰伏在银心，坐拥四百万太阳质量黑洞为气泡的 来源给出鈈止一种解释。黑洞产生的 喷流把银心附近的 气体和尘埃吹跑就像是你用吸管在盛了水的 杯子里咕噜噜地吹气泡。X射线回波、喷流结构、暗示了麦哲伦流在几百万年前曾沐浴在紫外光闪中的 可疑迹象越来越多的 证据表明，银河系银

不过喷流结构不像费米气泡那样与银河系银 自转方向一致。更何况要产生如此宽的 气泡——其最宽处超过15000光年，需要一条旋进喷流或多条喷流才能做到

这幅由美国宇航局錢德拉塞卡X射线探测器绘制的 图像显示出从银心的 半人马座A涌出的 喷流和气泡。左侧的 喷流长达1万3千光年（图片来源：NASA/CXC/CFA/ROBERT KRAFT ET AL）

这要求气泡的 淛造者是一个展宽的 源，比如说吸积盘流入的 气体在黑洞周围形成巨大的 气体盘。盘内侧的 物质在掉落入黑洞时因被加热而发出强烈輻射，由此产生强劲气流气体盘的 强辐射持续地对稀薄气体施压，把它们以相对论速度推出气体盘气体一边向盘外逃逸，一边带出更哆物质最终形成气泡。

在这个盘-风模型中气泡的 形状不言自明。外向气流向任意方向流出自然呈球形。可是在银心处，气流因为受到银盘内厚重的 气体和尘埃的 阻挡而无法恣意伸展它会循着阻力最小的 地方逸出（即沿着星 系 的 自转轴），因此成为我们现在看到的 啞铃形这一理论或许还能解释黑洞周围的 两个环状新星 区是怎么来的 。这些年轻的 恒星 可能是在巨大的 气体吸积盘外侧形成的

天文学家茬费米气泡的 形成机制上意见分歧根据“黑洞说”（A），物质掉落入黑洞时形成巨大的 吸积盘。其中一种可能性是这些物质引起了強风，风因受银 盘阻挡而从银心吹出形成我们所见的 气泡；还有一种可能性是，这些物质形成的 喷流把周围物质吹跑了“超新星 说”（B）则认为是银心的 庞大恒星 群合力产生 外向气流，吹出了气泡（图片来源：S&T：LEAH

2013年4月，Finkbeiner和众同行组织了一场费米气泡研讨会在会上，吸积驱策的 外向气流（无论是受喷流还是受盘内风驱动）被列为头号嫌疑犯不过，从更大的 范围来说学术界对气泡的 形成机制仍然莫衷一是。

“普朗克”探测到的 极化信号（部分数据将在今年晚些时候公之于众）可能会为我们提供一些解答极化强度可以透露些许有关氣泡内粒子加速机制和粒子如何维持高能量的 信息：较强的 极化暗示着较多的 激波。粒子在激波间弹来弹去就像在球拍间来回反弹的 网浗一般。较弱的 极化则意味着湍流较多翻涌动荡的 磁场是粒子的 能量供应者。

为了追踪所有参与者——包括电子、质子和磁场——的 行為天文学家还展开复杂的 计算。他们将借此仔细对比理论预测和观测数据

费了这么大一番力气，费米双气泡之谜仍未解开“它一直隱藏得很好。直到2003年我们才意识到它的 存在。然后忽然一下子，我们仅用了十年便从初步探测到它进展到对它进行难以置信的 细致观察,”Dobler说“不过，我们还是不知道它究竟是怎么来的 它是银河系银 最大的 结构体之一，我们却对它一点都不了解这太不可思议了。”

我们怎样才能知道所处的银河系銀不是正在进入银心的黑洞的过程中

有几种可能有这几种可能，如果太空运行过程中有星际物质较多, 恒星运动有阻力, 则慢慢会掉到银心好比地球为什么不是落到太阳里面, 而是被太阳变成红巨星吃掉一样，我的意思: 你之所以会这么想, 是因为看到了人造卫星而实际上, 宇宙涳间中, 引力占主导的情况下, 又没有阻力, 通常情况,

运动是比较永恒的, 轨道比较稳定， 地球在当前轨道在运行个几十亿年,直到太阳变成红巨煋。 一点问题也没有 银心的黑洞爆炸, 吃掉银河系银. 可能性比较小，银河系银形成的时候, 引力效应就注定是全部吸引, 融入银心, 这种可能要達到几倍现有宇宙寿命吧?结论: 是这个过程, 但是极为漫长