十年前，費米伽馬射線太空望遠鏡發現了一對關於銀河系中心對稱的巨大氣泡狀結構，這對氣泡被稱為“費米氣泡”，其起源至今仍然是一個學術界爭論的謎團。最近，中國科學院上海天文台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年發現的銀河系中心雙圓錐形X射線結構的起源。

圖1：藝術家描繪的費米氣泡和銀河系中心雙圓錐形X射線結構示意圖； 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。

根據這個模型，這兩個結構本質上是同一現象，都是由銀河系中心超大質量黑洞（Sgr A*）在5百萬年前發出的一對噴流所驅動的正向激波（forward shock）產生的。目前該工作已正式發表在天文學頂級期刊《天體物理學雜誌》（ApJ）上。

費米氣泡是兩個內部充斥著高溫氣體、宇宙射線、與磁場的巨大橢球狀結構。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射線結構的邊界很好地重合。

看到這兩個邊界的高度重合性，上海天文台的研究人員意識到這兩個結構在本質上可能擁有共同的起源。雙圓錐形X射線結構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就可以激發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：銀河系中心的恆星形成與超大質量黑洞Sgr A*。然而，這兩類模型都把費米氣泡解釋為爆發噴出物形成的氣泡，而激波則位於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，上海天文台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射線外流在本質上是同一現象。

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 *發出的一對噴流驅動。“關於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域高速氣體雲的運動，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，在費米氣泡爆發期間，超大質量黑洞Sgr A*總共吸積了大約100倍太陽質量的物質，釋放的能量接近於約20,000個超新星爆發釋放的總能量。

“我們在研究中發現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，那麼它們極不可能是由恆星形成或黑洞風產生的。” 郭福來說。在銀河系中心附近，雙圓錐形X射線結構的底部非常狹窄，而由恆星形成或黑洞吹出的風激發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，准直的噴流可以沿著噴流方向將大部分能量快速輸運到較遠距離，自然會導致銀道面附近激波波前變窄，形成雙圓錐形結構。近年來，我們銀河系中心的超大質量黑洞一直處於休眠狀態，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，持續了大約100萬年，並產生了至今仍可見的巨大費米氣泡。”郭福來說。