为了更好地了解银河中心(GC)和星际介质(ISM),天文学家们使用WHAM技术集中精力于费米气泡的研究中,也许有一天我们能够通过对其的研究会知道几百万年前在银河系中心发生了什么,从而形成了这些巨大的气泡。

  我们对银河的研究往往会碰到不同寻常的矛盾,比如浓密的气体会妨碍我们观察银河系的中心,使它难以在可见光下被观察到。不过更遥远的河外星系未必有这样的障碍,所以我们使用一些方法,比起身处的银河系,能更清晰地观察遥远的河外星系。

天文学家认为费米气泡由银河中心喷发而成-MAAMX

  银河系区域的划分——银心、银盘、银晕、银冕。图:moddb

  为了更好地理解银河中心(GC)以及星系介质(ISM),天文学家团队使用了威斯康辛氢α原子绘图仪(Wisconsin-H-alpha Mapper,WHAM)在部分可视光谱内探索银河系的核心。

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  威斯康辛氢α原子绘图仪。

  研究团队主要聚焦银河系的两个特征形状——费米气泡费米气泡由银河中心发出的高能气体形成,呈巨大的喷射形状,因2010年被费米-伽马射线宇宙天文望远镜发现而得名。这些气泡非常巨大,从银河系银盘中喷出并延伸了总共约5万光年的距离,并以每小时数百万英里的速度在运动。

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  在银河平面的上下两端,伽马射线&X线喷射的费米气泡(NASA-古德哈德宇宙航天中心)

  WHAM对费米气泡的观察刊登在《天文物理学通讯》杂志一篇名为《费米气泡测试模型:在银河中心上方发现高速氢α原子》的论文中,并在第236届美国天文学会上作了报告。第一作者Dhanesh Krishnarao是一名威斯康辛大学白水分校(UW Wisconsins)的研究生。

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  论文作者Dhanesh Krishnarao

  在这篇论文之前,费米气泡主要通过紫外线观测,它要在远距离类星体的光线穿透费米气泡时进行分析。虽然这种观测拓展了科学家们对费米气泡的理解,但也有不少局限。它们只能产生于特定的视准线,且不能测量气体的速度、温度以及浓度。

  WHAM是全天型望远镜,正如其名,它使用了别的方法——观察(气体的)氢α原子。氢α原子内部,当一个电子从第三能量级跳跃到第二能量级时,会发出一条特定光谱——可视光中最亮的氢原子光谱。

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  简化的罗德福特-波尔氢α原子过程模型。(JabberWok/CC BY-SA 3.0)。上图:当一个电子(绿)从第三能量层跳到第二能量层时,将产生一个量子并发出明亮的可视光光谱。

  马特·哈弗那是论文的合作作者,也是安博德瑞航空大学的天文物理学教授。哈弗那在一次新闻发布会上解释了WHAM射电望远镜如何帮助天文学家加深对银河中心区域的理解。气体阻碍了我们观测银河中心的视野,但河外星系却没有。“现在我们能用一些高精度设备,比如WHAM,观测银河的一些区域来获取银河中心的新信息,而之前我们只能使用红外线或者无线电。”哈弗那说道。“我们还可以在其他河外星系建立与银河中心相同的观测进行比较。”

  从事这项研究的科学家还发现了费米泡沫的氮气喷射射线。他们在气泡的相同位置合并了新结果跟近期哈勃望远镜紫外线观测结果。论文第一作者Krishnarao在新闻发布会上说:“我们整合了离子化气体的(射线)喷射跟吸收的观测结果来推算气体浓度,压力跟温度,这能更好地理解它们从何处来”。 “威斯康辛氢α绘图仪(WHAM)的观测揭示了氢α原子的高速运动方向跟[NII]λ6584喷射出的光谱方向是一致的,其速度在紫外线吸收射线的形状跟费米泡沫一致——即一组双锥型叶片状的伽马射线。”

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  速度:可视喷射与紫外线吸收。

  天文学家认为费米气泡在数百万年前于银河中心处产生,人马座A星(SgrA*),一个位于银河中心的大黑洞,将大量的氢气云团吸入积盘,导致巨大的能量喷射。但这项研究并没有试图去解释成因。现在研究者已经有了费米气泡中气体的浓度、速度、以及温度数据,他们可以去验证不同的模型了。 “这个研究的另外一个重要意义在于,使用全天型WHAM可以测量很多(费米气泡)区域的浓度、压力跟速度结构。” 研究的合作作者,威斯康辛大学白水分校教授鲍勃·本杰明说道:“我们可以在银河平面的上下两端,努力做出横跨整个费米气泡的大型图绘,来看看目前的模型是否成立。因为与紫外线数据不同,我们不再受限于特定的视准线。”

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  银河中心与人马座A星

  作者在论文中解释说:“这些可见光谱提供了一种同时控制费米气泡中离子化气体的物理状态,和气泡内部及银河中心区域辐射场的新手段”。论文结尾具体描述了一些他们的发现。他们认为费米气泡的气体温度高达8900±2700K,这种高温高压比先前模型预测的费米气泡外壳或银河内部的高热气体光晕温度还要高。尽管这些发现非常细致,他们仍然不能确定费米气泡的成因。不过正如这项研究,天文学家认为WHAM可以在费米气泡观测中担任更多角色。未来的观测可以跟既存的气泡观测联合起来,拓展我们的认知。“随着更多观测,WHAM能大规模地、立体地、动态地追踪与费米气泡相关的喷射轨迹。另外、一些研究指出,远端紫外线光源及其既存HST光谱,可以为横跨费米气泡南北部各区域的多种圆环密度提供精准的侧写”

  或许,终究有一天我们会知道数百万年前银河中心到底发生了什么,形成了这些巨大的气泡。

  作者: EVAN GOUGH

  FY: 汪小勉

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