活跃黑洞的炙热遗迹：费米泡泡

作者：林彦兴｜EASY 天文地科小站主编、清大天文所硕士生，努力在阴沟中仰望繁星

你看过银河吗？

如果你在晴朗的夏日午夜旅行到没有光害的山上，将会看到天上有一条淡淡的、若有似无的亮带，好像一条薄薄的云横跨夜空，它正是我们所居住的星系 ── 银河系（Milky Way）的盘面。在数位相机的加持之下，我们还能看到这薄薄的盘面上，其实布满恒星、星云、以及尘埃带，复杂、深邃而美丽。

但如果，你有一双能够看到「伽玛射线」的眼睛，你将看到两个视角高 50 度、宽 40 度的巨大椭圆形「泡泡」，矗立於银河盘面两侧。它们名为「费米泡泡 Fermi Bubbles」，是银河系中巨大且神秘的结构之一。

费米泡泡的起源，以及存在的意义，一直是过去十多年来，天文学家相当关注的研究主题。

最近（2022 年 3 月），一篇刊登於《自然天文学》（Nature Astronomy）的研究显示，壮阔的费米泡泡很可能源自两百多万年前，银河系中心超大质量黑洞的一次能量爆发。

费米泡泡的发现

当我们一听到「费米泡泡」这个词，脑海中浮现的第一个问题往往是：

「费米是谁？这个泡泡跟他有什麽关系？」

在物理界，恩里科．费米（Enrico Fermi）这个名字可谓家喻户晓。他是 20 世纪初最重要的物理学家之一，曾参与曼哈顿计画，设计与建造世上第一个核子反应炉和原子弹；并且在量子力学、核子物理、粒子物理和统计力学都贡献卓越。後世以他命名的物理概念、研究计画不计其数。这之中，就包含「费米伽玛射线太空望远镜 Fermi Gamma-ray Space Telescope」。

正如其名，费米是一座专门用於观测伽玛射线的太空望远镜，它於 2008 年发射升空，是轨道上最好的伽玛射线太空望远镜之一。比起前辈们，费米拥有更大的视野、更高的灵敏度和空间解析度，可以看得更广、更暗、更清楚。

它的主要任务，是不断的扫视整片天空，绘制伽玛射线的全天地图（all sky map），研究黑洞、中子星、超新星等宇宙中最高能的天体。

费米太空望远镜升空短短两年後，天文学家就从观测资料中发现，如果我们将费米的全天伽玛射线图中已知的星体（比如银河系的弥散气体、中子星、其他星系等）全部扣除，将会看到银河中心的上下两侧，各有一对高 50 度、宽 40 度的巨大椭圆形区域，而这是从未发现过的银河系新结构！

天文学家於是将它命名为「费米泡泡 Fermi Bubble」，以纪念费米太空望远镜的重要贡献。

而除了在伽玛射线看到的费米泡泡之外，天文学家也在微波和 X 射线波段看到了相似的结构。

在微波波段，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和普朗克卫星（Planck）都在费米泡泡的位置观测到两片椭圆形的明亮区域，天文学家称之为「微波薄雾 microwave haze」。而在 X 射线波段，2019 年才昇空的义罗西塔（eROSITA）卫星则发现了与费米泡泡相似，但是更大的泡泡状结构，被称为「eROSITA 泡泡」。

另外，在紫外线波段，虽然没办法直接看见泡泡状的结构，但天文学家藉由遥远天体通过费米泡泡中的稀薄气体时产生的吸收谱线，可以计算出费米泡泡的膨胀速率，大约是每秒数百到数千公里的等级。

综合以上资料，天文学家认为费米泡泡应该是源自数百万至一千万年前，银河系中心的一次巨大爆炸。这场爆炸大约释放了 10⁴⁸ – 10⁴⁹ 焦耳的庞大能量（相当於太阳终其一生释放的能量，再乘以 10000 倍以上），并加热了银河系中心的气体，使其以每秒数千公里的速度剧烈膨胀。百万年後的今天，就成为了横跨数万光年巨大泡泡。

但是，这张错综复杂的拼图，还缺少了最核心的一块：

这麽庞大的能量，究竟是从何而来？

超新星爆发还是黑洞喷流？费米泡泡的身世之谜

费米泡泡刚被发现不久，天文学家就对驱动费米泡泡的核心引擎，提出了两位候选人：

第一种观点，认为银河系中心在数千万年前可能曾有大量的恒星形成，其中年轻的恒星由於寿命短暂，很快的就走完它的一生，并发生超新星爆炸，释放出巨大的能量。

另一种观点，则认为银河系中心的超大质量黑洞在数百万年前可能短时间内吃进了大量气体，并在过程中将能量以喷流（jet）或外流（outflow）的形式释放出来。

两种说法听起来都颇有可能，而且天文学家都有在其他星系看过类似的现象，那该怎麽知道哪边才是对的呢？这时，天文学家们就兵分两路，观测学家们继续对费米泡泡进行更多观测，寻找更多可能的隐藏线索；理论学家则利用电脑模拟，尝试在电脑中重现出观测结果。

早年，两派假说各有各的优势，也有各自难以解释的弱点。但随着观测资料的不断累积，天文学家渐渐发现黑洞的喷流假说似乎更符合观测结果，因此更具说服力。但即使如此，想要在电脑模拟中一次重现费米泡泡所有的观测特徵，仍是相当困难的挑战。

三个愿望，一次满足

然而今（2022）年三月，清大天文所杨湘怡教授利用三维磁流体力学电脑模拟（MHD Simulation），就一次重现了费米泡泡、义罗西塔泡泡与微波薄雾三个重要的观测特徵。

他们假设银河系中心的超大质量黑洞，在 260 万年前曾经朝着银河系盘面的上下两侧喷出两道喷流。喷流带有 10⁵⁰ 焦耳的强大能量，其中含有大量以接近光速运动的高能电子。当这些高能电子与低能量的光子碰撞时，电子会将能量传递给光子，就好像被保龄球打到的球瓶一样，让光子从低能量的可见光，变成高能量的伽玛射线。这个被称为「逆康普顿散射 Inverse Compton Scattering」的机制，让我们能在伽玛射线看到费米泡泡。

与此同时，这些高能电子在银河系的磁场中运动时，会以「同步辐射 Synchrotron Radiation」的方式放出微波与无线电波，形成我们看到的微波薄雾。最後，强大的喷流在撞击银河系中的气体时，会产生以每秒数千公里高速移动的震波（Shock Wave）。震波所到之处，受到压缩而加温的气体就会释放出 X 射线，成为我们看到的义罗西塔泡泡。而且气体运动的速度，也与紫外线观测的结果相符。

这个研究结果，将伽玛射线、X 光、紫外线到微波的所有观测结果，用黑洞喷流漂亮的一次重现，这无疑是我们对费米泡泡理解的一大进展。

未来展望

那麽，费米泡泡的身世之迷，就此盖棺论定了吗？

嗯⋯⋯还没这麽快。

无论多麽精细的模拟，终究是对真实世界的近似与简化，理论学家永远可以继续考虑更多的物理机制，计算出更精细的结果。观测天文学家也会不断拿出更多、更好的仪器，挑战模拟的结果。

更宏观的看，如果银河系中心的超大质量黑洞在两百多万年前真的曾经如此活跃，它释放出的庞大的能量，是否曾对银河系造成其他的影响？我们是否能够从中学到更多关於银河系的历史，以及黑洞跟星系间复杂的共同演化机制？这些都有待天文学家的持续探索。

费米泡泡的故事，仍未完结。

铭谢

感谢论文第一作者、清大天文所杨湘怡老师对本文的指导与建议。

参考资料（学术论文）

Fermi and eROSITA bubbles as relics of the past activity of the Galaxy’s central black hole | Nature Astronomy
Unveiling the Origin of the Fermi Bubbles – NASA/ADS
X-Ray and Gamma-Ray Observations of the Fermi Bubbles and NPS/Loop I Structures – NASA/ADS
Fermi Gamma-ray Space Telescope: High-Energy Results from the First Year