Nat. Commun.：从银晕气泡窥探银心历史活动性和星系周介质
近日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了科研人员在星际周介质领域的研究成果。该成果首次在理论上揭示出星系周介质正在冲击银河系，并将称为星系周介质风。论文标题为“Asymmetric eROSITA bubbles as the evidence of a circumgalactic medium wind” （“不对称的eROSITA气泡作为星系周介质风的证据”）。武汉大学牟国斌研究员，王伟教授和厦门大学方陶陶教授为共同通讯作者。其他合作者包括加州理工学院的孙东泽同学，河南师大的张瑞玉博士，上海天文台的袁峰研究员，东京大学的Sofue教授，中科大的王挺贵教授和何志成教授。笔者借此机会简单介绍一下银晕气泡的相关研究。
最近十几年人们陆续在射电到伽马射线等多个波段发现了分布于银盘两侧的视张角达100度左右的大型气泡状遗迹（图1）。这些气泡包括2004年威尔金森各向异性探测器 (WMAP) 在射电波段发现的WMAP雾（WMAP Haze），2010年费米大视场望远镜在伽马射线波段发现和命名的费米气泡 (Fermi bubbles; FB)，2013年S波段偏振巡天项目在2.3GHz射电波段探测到的偏振射电瓣 (Polarized Radio Lobes; PRL)，以及2020年eROSITA X射线望远镜发现的与早被大家熟悉的北晕一号圈（Loop I）组成一对的南晕X射线气泡。这一对X射线气泡被又称为eROSITA气泡。
图1，银道坐标系中的银晕多波段气泡。左图是eROSITA气泡和费米气泡，中间展示偏振射电瓣，右图是射电波段的一号圈（北晕）。
关于银晕多波段气泡的形成问题在近十年是一个研究热点。由于这些气泡在银心上下两侧大致对称分布，所以一般认为它们是在几百万到几千万年前银心超大质量黑洞吸积活动或恒星形成过程所驱动的外流在银晕中形成的遗迹。但在具体的能量来源存在争议，即究竟是黑洞吸积过程产生的外流还是喷流，抑或是恒星形成驱动的外流。归纳起来，当前模型较多采用的物理图像是来自银心的高速外流在银晕中产生激波，扫过银晕气体时将其挤压成一个壳层并将其加热，从而产生辐射相对较强的软X射线壳层，即观测到的X射线气泡。而壳层内侧形成一个低密度空腔，空腔里可能充斥着伴随银心外流而来的相对论性高能电子，这种电子在背景辐射场中与低能光子发生逆康普顿散射，产生伽马射线光子形成费米气泡。另外，高能电子在磁场中产生同步辐射，从而形成射电结构。于是我们可以看到在X射线气泡结构内的空腔区域，有伽马和射电波段的气泡结构。
说到这里，不得不提的是银晕中最早发现的气泡结构——一号圈“Loop I”的研究（一号圈和后来的北eROSITA气泡是同一个结构，不同观测领域有不同的叫法）。射电“一号圈”及其最明亮的部分—北银极支（North Polar Spur；NPS）早在半个世纪前就已被观测到了。90年代的伦琴X射线望远镜也同样看到了这一明亮的弥散结构。但是由于难以确定其距离，一号圈的本质问题一直是困扰天文学界的谜，争论长达半个世纪之久。粗略来讲有两种观点：一种观点认为它是太阳系临近的结构，距离我们几百光年或上千光年，过去大部分做相关研究的学者都持这一观点；另一种观点认为它是距离我们数万光年的银晕大型结构，该观点由东京大学的Sofue教授在70年代提出。两种观点最关键的争议焦点是，如果北晕一号圈是银晕结构，那么为什么南晕没有看到？这个问题只能由高灵敏度的eROSITA X射线望远镜来回答了。转折点是2020年12月，eROSITA组在Nature杂志发布了一个重磅消息——在软X射线波段发现了南晕气泡。这一发现可谓终结了半个世纪的争论，有力的支持了第二种观点。在读研期间，笔者和合作者也采纳了第二种观点，认为一号圈与费米气泡的空间位置关系并非投影巧合，而是同一距离上存在关联的结构，并在2014年工作中尝试同时解释这两种结构。如今看来，这是第一个在温度、密度等关键物理参量上与X射线气泡吻合的流体模拟工作了。
如果仔细观察这些多波段气泡，可以发现一个有趣的现象。北晕多波段气泡全部呈现出明显的东-西方向的不对称性，全部歪向右侧，而且射电和X射线最明亮的结构在左侧（北银极支结构）；南晕的费米气泡、偏振射电瓣也呈现东-西方向不对称性，歪向右侧；此外，南晕的X射线气泡要比北晕暗弱的多（南北不对称性）。这些不对称性特征背后的物理是什么呢？这引起了笔者的极大兴趣。设想一下，如果银盘外面的星系周介质存在明显的横向运动，那么必将对这些银晕气泡形态产生影响，因此气泡的不对称性可以为星系周介质特别是临近银盘的那部分气体的运动学研究提供一个绝佳的切入角度。所以不对称性研究恐怕远远不是一个修正项那么简单了。
那么什么是星系周介质呢？对银河系而言，从银盘星际介质向外一直延伸到距离银心大约100万光年距离的气体被称为银河系的星系周介质（Circumgalactic Medium; CGM）。它是更内区的星系物质与更外区的星系际介质两者的物质能量交换场所。一方面，星系际介质被星系吸积后成为星系周介质，其进一步冷却、下落被星系捕获，转化为恒星形成或星系增长的原材料；另一方面，星系的恒星形成过程和星系中心超大质量黑洞的吸积活动会产生外流，这种外流又会直接影响星系周介质的成分、温度以及运动学状态等。银河系星系周介质主要由温度达百万开尔文的热气体组成。当前受观测仪器性能所限，其运动学性质仍不清楚，特别是靠近银盘的十几万光年距离内的星系周介质。而该处气体的性质正是理解星系周介质与银河系相互作用及银河系演化的关键。当前研究人员普遍采用流体静力学平衡的简化假设，这在建立模型时是最简单的。然而本星系群的宇宙学模拟表明银河系的星系周介质并非静止，而是存在明显的气体流动，其速度可达上百km/s，而且这种动态的星系周介质在其他研究星系形成的宇宙学模拟中也是很普遍的。这说明银河系星系周介质不一定是流体静力学平衡的。
笔者在2015年的博士毕业论文中单列一章讨论了不对称性特征的起源——如果是一种未被观测到的横向的风所致，那么通过简化模型可估算出风速大概有一两百km/s。这部分内容在重新做了更准确的计算后发表在了《天体物理学杂志快报》上（Mou, Sun & Xie, 2018, ApJL）。彼时南晕气泡尚未被发现，但我们依然大胆坚持银晕观点，较早开展了非对称性研究，这大概就是年轻的优势所在吧。
图2， 银晕气泡非对称性形成机制示意图（牟国斌 制图）
随着2020年底X射线气泡被证实为银晕结构，相关研究的时机也终于成熟。在这篇最新工作中，笔者进一步提出，气泡是银心外流与星系周介质作用形成的，那么气泡非对称性必然是银心外流或者星系周介质的某种性质所致，由此引出三种可能性：1）银心外流存在偏折；2）星系周介质在流体静力学平衡下密度呈不对称分布（左侧密度更高）；3）星系周介质存在横向运动（图2）。我们首次借助流体力学数值模拟定量研究了这三种机制。结果表明，前两种都无法解释观测结果：对于第一种情况，气泡形态要求银心外流偏向右侧喷出，但这样将导致一号圈的右侧在X射线和射电波段更亮，这与观测刚好相反；对于第二种情况，流体静力学平衡态如果密度分布不对称，那么理论上容易证明必然是引力场的非轴对称性所致，而银河系核球中的棒状结构可以扮演这一角色，但是数值模拟表明其造成气泡的不对称性也非常弱，即使在足够大的参数空间里测试仍然如此。最终我们发现只有第三种机制可以拟合观测结果（图3）。模拟结果显示，在银道坐标系中星系周介质朝右下方以200 km/s的速度和几个太阳质量每年的质量流扫过银晕，深刻的影响了银盘上下两侧气体的密度、金属丰度和速度等物理量分布。我们把这种风称之为星系周介质风（CGM wind）。北晕气泡由于遭受这种风的直接冲击而呈现出明显的偏折，而且迎风面由于激波更强导致X射线辐射更强，因此形成了明亮的北银极支结构；而南晕气体遭受这种风的剥离导致密度降低，形成的是较暗的南晕X射线气泡。通过再现eROSITA气泡的形成过程我们发现，其年龄为2000万年左右，所需的银心外流总能量为2乘以10^56 erg左右。此外，该模型能够吻合其他多个独立观测结果，包括银晕气体金属丰度，高速云的形成等，涉及多个研究方向，信息量大。那么这种风的起源是什么呢？之前对银河系周围卫星星系的观测显示，银河系可能正在朝向银道坐标系东侧（左侧）以大约100km/s的速度运动，而这个方位大致也是本星系群重子物质质心所处的方向。因此我们猜测可能是银河系在本星系群中的运动引发了这种从左侧来的星系周介质风。
不同于之前将星系周介质视为流体静力学平衡态或旋转状态的观点，这项研究表明星系周介质正在与银河系发生显著的作用，这将有助于理解银河系中心黑洞的活动性，银河系演化过程，高速云和翘曲的中性氢盘的形成等多个前沿问题。在此基础上，有很多课题可以开展。例如我们近期通过拟合北银极支结构的射电和伽马射线波段数据，得出一号圈北银极支（NPS）结构里的磁场强度和宇宙线电子的能量密度（Mou, Wu & Sofue, 2022）。我们发现尽管北银极支的激波马赫数只有1.5左右，但是宇宙线电子的能量加速效率仍高达1%，远高于经典的激波加速理论预期，并与一些星系团射电遗迹的观测结论一致。这表明宇宙线电子经历了再加速过程，即之前已经存在的较低能量的“化石”宇宙线电子被重新加速了。由于银河系的独特性和观测数据的丰富，这些参数的精确度都是河外星系、星系团研究远无法比拟的，这为弱激波的粒子加速研究提供了很好的参考。
图3：X射线观测的气泡结构（上）与数值模拟结果（下）的比较
参考文献
1. Mou, Sun, Fang et al. 2023, Nature Communications, 14, 7812. Mou, Yuan, Bu et al. 2014, ApJ, 790, 1093. Mou, Sun & Xie, 2018, ApJL, 869, L204. Predehl et al. 2020, Nature, 588, 2275. Su et al. 2010, ApJ, 724, 10446. Carretti et al. 2013, Nature, 493, 667. Dobler & Finkbeiner 2008, ApJ, 680, 12228. Guo & Mathews 2012, ApJ, 756, 1819. Crocker et al. 2015, ApJ, 808, 10710. Tumlinson et al. The circumgalactic medium. 2017, ARA&A, 55, 38911. Nuza et al. 2014, MNRAS, 441, 259312. 银河系费米气泡形成的黑洞吸积盘风模型. [博士论文]牟国斌，2015 中国科学院大学13. Mou, Wu & Sofue, 2022, arXiv: 2212.04306
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编辑：黄琦
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