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標題: 活躍黑洞的炙熱遺跡 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2022-5-4 01:39 AM 標題: 活躍黑洞的炙熱遺跡

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　　如果你在晴朗的夏日午夜旅行到沒有光害的山上﹐將會看到天上有一條淡淡的﹑若有似無的亮帶﹐好像一條薄薄的雲橫跨夜空﹐它正是我們所居住的星系 ── 銀河系(Milky Way)的盤面。在數位相機的加持之下﹐我們還能看到這薄薄的盤面上﹐其實佈滿恆星﹑星雲﹑以及塵埃帶﹐複雜﹑深邃而美麗。
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　　但如果﹐你有一雙能夠看到「伽瑪射線」的眼睛﹐你將看到兩個視角高50度﹑寬40度的巨大橢圓形「泡泡」﹐矗立於銀河盤面兩側。它們名為「費米泡泡(Fermi Bubbles)」﹐是銀河系中巨大且神祕的結構之一。
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費米泡泡的起源﹐以及存在的意義﹐一直是過去十多年來﹐天文學家相當關注的研究主題。最近(2022年3月)﹐一篇刊登於《自然天文學》(Nature Astronomy)的研究顯示﹐壯闊的費米泡泡很可能源自兩百多萬年前﹐銀河系中心超大質量黑洞的一次能量爆發。
　　在物理界﹐恩里科·費米(Enrico Fermi)這個名字可謂家喻戶曉。他是20世紀初最重要的物理學家之一﹐曾參與曼哈頓計畫﹐設計與建造世上第一個核子反應爐和原子彈﹔並且在量子力學﹑核子物理﹑粒子物理和統計力學都貢獻卓越。後世以他命名的物理概念﹑研究計畫不計其數。這之中﹐就包含「費米伽瑪射線太空望遠鏡 Fermi Gamma-ray Space Telescope」。
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　　正如其名﹐費米是一座專門用於觀測伽瑪射線的太空望遠鏡﹐它於2008年發射升空﹐是軌道上最好的伽瑪射線太空望遠鏡之一。比起前輩們﹐費米擁有更大的視野﹑更高的靈敏度和空間解析度﹐可以看得更廣﹑更暗﹑更清楚。它的主要任務﹐是不斷的掃視整片天空﹐繪製伽瑪射線的全天地圖(all sky map)﹐研究黑洞﹑中子星﹑超新星等宇宙中最高能的天體。
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上圖中橢圓形的區域﹐就是費米拍攝的伽瑪射線全天圖﹐以等面積投影法投影成二維的圖。中間的水平亮帶源自銀河盤面上的氣體﹐上下兩個泡泡狀結構就是費米泡泡的示意圖。
　　費米太空望遠鏡升空短短兩年後﹐天文學家就從觀測資料中發現﹐如果我們將費米的全天伽瑪射線圖中已知的星體(比如銀河系的瀰散氣體﹑中子星﹑其他星系等)全部扣除﹐將會看到銀河中心的上下兩側﹐各有一對高50度﹑寬40度的巨大橢圓形區域﹐而這是從未發現過的銀河系新結構。天文學家於是將它命名為「費米泡泡(Fermi Bubble)」﹐以紀念費米太空望遠鏡的重要貢獻。
　　而除了在伽瑪射線看到的費米泡泡之外﹐天文學家也在微波和X射線波段看到了相似的結構。在微波波段﹐威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和普朗克衛星(Planck)都在費米泡泡的位置觀測到兩片橢圓形的明亮區域﹐天文學家稱之為「微波薄霧(microwave haze)」。而在X射線波段﹐2019年才昇空的義羅西塔(eROSITA)衛星則發現了與費米泡泡相似﹐但是更大的泡泡狀結構﹐被稱為「eROSITA泡泡」。
另外﹐在紫外線波段﹐雖然沒辦法直接看見泡泡狀的結構﹐但天文學家藉由遙遠天體通過費米泡泡中的稀薄氣體時產生的吸收譜線﹐可以計算出費米泡泡的膨脹速率﹐大約是每秒數百到數千公里的等級。
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　　綜合以上資料﹐天文學家認為費米泡泡應該是源自數百萬至一千萬年前﹐銀河系中心的一次巨大爆炸。這場爆炸大約釋放了1048~1049焦耳的龐大能量(相當於太陽終其一生釋放的能量﹐再乘以10000倍以上)﹐並加熱了銀河系中心的氣體﹐使其以每秒數千公里的速度劇烈膨脹。百萬年後的今天﹐就成為了橫跨數萬光年巨大泡泡。
　　但是﹐這張錯綜複雜的拼圖﹐還缺少了最核心的一塊﹕
　　費米泡泡剛被發現不久﹐天文學家就對驅動費米泡泡的核心引擎﹐提出了兩個觀點﹕
　　第一種觀點﹐認為銀河系中心在數千萬年前可能曾有大量的恆星形成﹐其中年輕的恆星由於壽命短暫﹐很快的就走完它的一生﹐並發生超新星爆炸﹐釋放出巨大的能量。
　　另一種觀點﹐則認為銀河系中心的超大質量黑洞在數百萬年前可能短時間內吃進了大量氣體﹐並在過程中將能量以噴流(jet)或外流(outflow)的形式釋放出來。
　　兩種說法聽起來都頗有可能﹐而且天文學家都有在其他星系看過類似的現象﹐那該怎麼知道哪邊才是對的呢﹖這時﹐天文學家們就兵分兩路﹐觀測學家們繼續對費米泡泡進行更多觀測﹐尋找更多可能的隱藏線索﹔理論學家則利用電腦模擬﹐嘗試在電腦中重現出觀測結果。
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　　早年﹐兩派假說各有各的優勢﹐也有各自難以解釋的弱點。但隨著觀測資料的不斷累積﹐天文學家漸漸發現黑洞的噴流假說似乎更符合觀測結果﹐因此更具說服力。但即使如此﹐想要在電腦模擬中一次重現費米泡泡所有的觀測特徵﹐仍是相當困難的挑戰。
　　然而今(2022)年三月﹐研究人員利用三維磁流體力學電腦模擬(MHD Simulation)﹐就一次重現了費米泡泡﹑義羅西塔泡泡與微波薄霧三個重要的觀測特徵。他們假設銀河系中心的超大質量黑洞﹐在260萬年前曾經朝著銀河系盤面的上下兩側噴出兩道噴流。噴流帶有1050焦耳的強大能量﹐其中含有大量以接近光速運動的高能電子。當這些高能電子與低能量的光子碰撞時﹐電子會將能量傳遞給光子﹐就好像被保齡球打到的球瓶一樣﹐讓光子從低能量的可見光﹐變成高能量的伽瑪射線。這個被稱為「逆康普頓散射 Inverse Compton Scattering」的機制﹐讓我們能在伽瑪射線看到費米泡泡。
　　與此同時﹐這些高能電子在銀河系的磁場中運動時﹐會以「同步輻射(Synchrotron Radiation)」的方式放出微波與無線電波﹐形成我們看到的微波薄霧。最後強大的噴流在撞擊銀河系中的氣體時﹐會產生以每秒數千公里高速移動的震波(Shock Wave)。震波所到之處﹐受到壓縮而加溫的氣體就會釋放出 X 射線﹐成為我們看到的義羅西塔泡泡。而且氣體運動的速度﹐也與紫外線觀測的結果相符。
　　這個研究結果﹐將伽瑪射線﹑X光﹑紫外線到微波的所有觀測結果﹐用黑洞噴流漂亮的一次重現﹐這無疑是我們對費米泡泡理解的一大進展。
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將理論模擬的費米泡泡投影到銀河系的可見光影像上。圖中可以清楚的看到費米泡泡(Cosmic rays)﹑義羅西塔泡泡(Shocks)以及它們跟太陽到銀河系中心的距離(28000光年)的大小比較。
　　那麼﹐費米泡泡的身世之迷﹐就此蓋棺論定了嗎﹖
　　無論多麼精細的模擬﹐終究是對真實世界的近似與簡化﹐理論學家永遠可以繼續考慮更多的物理機制﹐計算出更精細的結果。觀測天文學家也會不斷拿出更多﹑更好的儀器﹐挑戰模擬的結果。更宏觀的看﹐如果銀河系中心的超大質量黑洞在兩百多萬年前真的曾經如此活躍﹐它釋放出的龐大的能量﹐是否曾對銀河系造成其他的影響﹖我們是否能夠從中學到更多關於銀河系的歷史﹐以及黑洞跟星系間複雜的共同演化機制﹖這些都有待天文學家的持續探索。

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