INTEGRAL破解部分宇宙線電子散漫訊號的物理機制

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• 作者：林彥興｜EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生，努力在陰溝中仰望繁星

你看過銀河嗎？

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，其實布滿恆星、星雲、以及塵埃帶，複雜、深邃而美麗。

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。

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。

費米泡泡的發現

當我們一聽到「費米泡泡」這個詞，腦海中浮現的第一個問題往往是：

「費米是誰？這個泡泡跟他有什麼關係？」

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」。

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。

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。

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：

這麼龐大的能量，究竟是從何而來？

超新星爆發還是黑洞噴流？費米泡泡的身世之謎

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，提出了兩位候選人：

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。

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。

三個願望，一次滿足

然而今（2022）年三月，清大天文所楊湘怡教授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。

未來展望

那麼，費米泡泡的身世之迷，就此蓋棺論定了嗎？

嗯⋯⋯還沒這麼快。

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。

費米泡泡的故事，仍未完結。

銘謝

感謝論文第一作者、清大天文所楊湘怡老師對本文的指導與建議。

參考資料（學術論文）

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

延伸閱讀（報導與科普文章）

1. 本次研究相關
   • Fermi and eRosita bubbles may originate from past activity of the Galactic black hole | Nature Portfolio Astronomy Community
   • 銀河系的巨大泡泡可能與中心的超大質量黑洞活動有關｜楊湘怡老師個人網頁
   • Massive bubbles at center of Milky Way caused by supermassive black hole | University of Michigan News
   • Giant Bubbles Above and Below Milky Way’s Center Caused by Galaxy’s Central Black Hole | Sci-News.com
   • Study says massive ‘bubbles’ in space might share origins – Taipei Times
   • Gigantic Bubbles at Center of Milky Way Caused by Powerful Jet of Energy From Supermassive Black Hole
   • Scientists Seek Origin of Mysterious Gigantic Bubble Structures In Our Galaxy
   • 百万度高温，横跨5万光年，银河系中心的巨大高能气泡 Tracing the Fermi bubble within our galaxy
2. 費米泡泡相關
   • 銀河系巨大費米泡-科學人雜誌
   • 銀河系黑洞吹泡泡,噴流留殘影- PanSci 泛科學
   • Was the Milky Way a Quasar?
3. 其他相關天文物理科普文章
   • 毀滅與新生：超大質量黑洞觸發的恆星形成- PanSci 泛科學
   • 宇宙「新」光──新星、超新星與千級新星- PanSci 泛科學
   • 電腦裡的小宇宙，重現絢麗的恆星爆炸！專訪陳科榮
   • 中研院天文所季報：多彩魅力的CHARMS

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《自旋一圈只要半小時！奇特的超快自旋小行星》
• 作者／李昫岱（屋頂上的天文學家）｜科技大觀園特約編輯

科學家相信，一顆小行星的內部可能是由一堆大大小小的碎片組成，這些碎片靠著彼此的重力聚集成一顆小行星，這就是所謂的「瓦礫堆模型」。瓦礫堆小行星無法自旋太快，如果自旋速度超過一個極限，整顆小行星就會遭受強大的離心力而崩解。瓦礫堆模型可以解釋為什麼小行星有一個自旋週期 2 小時的極限，因為超過這個極限，小行星就會瓦解。 

「凡事都有例外」，這句話在小行星的自旋週期上也適用。2002 年，科學家發現一顆特別的小行星，它的長度大約 700 公尺，自旋週期只有半小時！這種小行星被稱為「超快自旋小行星」。這個例外讓天文學家感到困惑，是什麼原因讓它自旋這麼快而不崩解？瓦礫堆模型不適用了嗎？還有其他更多的超快自旋小行星嗎？這些問題就成了章展誥的研究主題。

如何量測小行星的自旋週期？

小行星本身不發光，只會反射太陽光。假設小行星的形狀是長橢圓形，當太陽照射到面積最大那一側，小行星看起來最亮；當太陽照射面積最小那一側，小行星看起來最暗。從小行星的亮度變化就可以知道它的自旋週期。 

章展誥於 2011 年取得中央大學天文所博士學位，當時是跟隨高仲明教授研究銀河系結構。畢業後他先留在原團隊做博士後研究，後來轉跟隨葉永烜教授，與美國加州理工學院合作研究小行星的旋轉與結構模型，自此與超快自旋小行星結緣。

為了尋找其他的超快自旋小行星，章展誥利用加州理工學院帕洛馬瞬變工廠（Palomar Transient Factory）的 1.2 公尺廣視野望遠鏡，進行大量小行星自旋週期的測量。2014 年春季，他發現一顆疑似超快自旋小行星，這顆小行星的亮度相當暗，無法確定它是不是真的轉得很快，就像聽音樂時，音量很低，很難聽清楚是哪一首歌；這時如果你有一對大象般巨大的耳朵，就可以把旋律聽得清楚。音樂和光一樣都是一種訊號，章展誥需要大口徑的望遠鏡，進一步確認這顆小行星是不是真的轉得很快。 

當時他正在加州理工學院訪問，便與加州理工學院的合作者使用他們的 5 公尺口徑望遠鏡進行自旋週期確認，結果顯示它確實是一顆超快自旋小行星。這顆超快自旋小行星的發現，證實了 2002 年發現的第一顆超快自旋小行星並不孤單，超快自旋小行星是一個族群。 

提到那次經驗，章展誥心中除了喜悅還有震撼，原來美國一流名校是這樣做研究的！取得 5 公尺望遠鏡的使用時間就像是走到對街買杯奶茶一樣容易，資源如此豐富，做研究自然得心應手。

除了轉得快，與其他小行星有什麼不同？

因為超快自旋小行星的相關研究成果，在 2017 年 4 月舉行的「小行星、彗星、流星國際研討會」（Asteroids, Comets, Meteors 2017, ACM 2017）上，國際天文學會（IAU）宣布將編號 10679 的小行星命名為 Chankaochang——章展誥小行星。到 2020 年 3 月為止，已知的超快自旋小行星一共有 26 顆，其中的 23 顆是章展誥的團隊發現的。除了尋找更多超快自旋小行星，章展誥還進一步研究它們的組成和分佈，比較它們與其他小行星有什麼異同。

小行星距離我們那麼遠，天文學家要如何研究小行星的組成呢？假設建築工地裡有三種建材，分別是磚頭、水泥和大理石，如果它們放在手碰不到的距離，要如何分辨？你一定知道從顏色就可以分辨它們的材質，紅色是磚頭，灰色是水泥，白色是大理石。實際上天文學家也用類似的方法，他們用小行星的顏色來分辨它們的組成。章展誥的研究發現，這些超快自旋小行星的組成與一般的小行星並沒有不同。

小行星主要分佈在火星與木星的軌道之間，這些小行星分佈的區域稱為小行星帶。超快自旋小行星在小行星帶的分佈位置有什麼特別的地方嗎？它們比較靠近火星或木星？章展誥發現超快自旋小行星分佈的位置並不特別，與其他小行星分佈的位置很相似。

超快自旋小行星除了自旋得超快，它們的組成與分佈跟其他小行星並沒有什麼不同。至於為什麼它們可以轉得超快而不裂解，目前仍是未解之謎，期待未來章展誥能夠解開謎團，告訴我們答案。 

從星團到小行星　章展誥繞著天文轉

章展誥大學是念中央大學物理系，修過普通天文學後，覺得天文容易上手，後來進入天文所蔡文祥教授的研究室做暑期學生，開始他的天文研究之路。當時的時空背景，大多數的大學生畢業後都會選擇念碩士班，章展誥覺得天文比較親近，所以選擇報考天文所。考上中央大學天文所，繼續跟隨蔡文祥教授研究球狀星團。

碩士班畢業後，章展誥到成功大學物理系許瑞榮教授實驗室協助研究紅色精靈，紅色精靈是一種高空閃電現象，他參與的團隊很幸運地拍到紅色精靈，這是臺灣首次記錄這種特殊、罕見的現象。

離開成大後，章展誥曾經到科技業工作，後來覺得不同部門之間，對解決問題方式存在很大的差異，因此在一年後離開企業界，回到中央大學擔任高仲明教授的研究助理，工作是用大量的天文數據和影像建構虛擬天文台。處理大數據的經驗，讓他可以幫助學弟解決研究上的問題，這讓章展誥興起攻讀博士的念頭。於是在 2006 年，他進入中央大學天文所博士班就讀，研究銀河系；博士後一直到現在，則聚焦在小行星。

從球狀星團、紅色精靈、虛擬天文台、銀河系到小行星，章展誥跨足天文、太空多個研究領域，至於未來，且讓我們拭目以待！

• 延伸閱讀：銀河系至少存在36個智慧文明，真的嗎？
• 延伸閱讀：災難片成真！？小行星「貝努」行蹤飄忽，撞地球的機率有多大？

天文學家分析INTEGRAL伽瑪射線觀測衛星6年來的觀測資料，終於找出宇宙線電子（cosmic-ray electron）產生銀河系高能星際輻射的個別過程，辨認出可形成硬X射線（hard X-ray）和軟伽瑪射線（soft gamma-ray）等輻射的各種物理機制，對瞭解在銀河系中流竄的高能粒子分布細節有相當大的幫助。

宇宙線（cosmic ray）是高能帶電粒子，普遍散佈於各星系中，當然也包括我們的銀河系，而且能量高到足以逃離星系的掌控，跨越星系之間的空間，抵達宇宙另一空間。自1912發現它們的存在以來，天文學家已經藉由宇宙線的幫助瞭解一些星系整體的性質，例如熱平衡或星系含有的總能量等。

天文學家可以經由宇宙線和地球大氣物質的撞擊狀況直接偵測並追蹤宇宙線的來源，也可以經由宇宙線和星系中其他粒子、光子或磁場等的交互作用所發出的輻射來間接追蹤宇宙線來源。在銀河系中，這些現象是銀河盤面獨特的瀰散輻射（diffuse emission）的主要來源；銀盤上的瀰散輻射從低能的電波、微波到高能的硬X射線和伽瑪射線，各種波長的電磁輻射都有，這是因為含有多種不同的物理過程，每種物理過程所產生的輻射波長也不同；天文學家不斷嘗試用各種不同波段進行觀測，配合各式物理模型，企圖分辨出究竟哪些物理過程造就了這些瀰散輻射，找出充斥整個銀河系的帶電粒子來源。

法國圖盧茲大學（Université de Toulouse）Laurent Bouchet表示：硬X射線和軟伽瑪射線波段的瀰散輻射是用來追蹤宇宙線電子和其反粒子—正子的絕佳工具；其中，正子雖然只佔了銀河系很小的比例，但在高能粒子族群中卻相當重要。Bouchet等人利用INTEGRAL觀測衛星資料，研究全天能量介在20keV和2.4MeV之間的狀況。由於INTEGRAL已經運作了接近10年之久，所累積的資料已使解析度好到足以滿足Bouchet等人的需求，將不同物理過程所造成的結果各自分辨開來。

Bouchet等人處理資料的第一步，是仔細檢視後，將所有包含銀河系和河外星系中的點源移除。他們共處理了數百個點源，以確保這些點源的輻射（下圖黑色部分）不會污染宇宙線所產生的瀰散輻射（下圖藍色部分）的資料。在此同時，他們發現點源主要影響範圍是瀰散輻射中能量最低的部分（20~100keV）。接著，將移除點源之後的結果，和理論模型預測的結果相互比較，以便將個別物理過程造成的輻射分辨開來。

Bouchet表示：有趣的是，他們發現一個主要由逆康普頓散射（Inverse Compton (IC) scattering）過程產生的瀰散輻射，在INTEGRAL最初幾年的觀測中，曾暗示應該有這樣的過程，但一直到現在才予以確認。逆康普頓散射是星際空間中的高能電子或正子，與低能光子互撞的過程中，部分能量由電子或正子傳遞給光子，使光子能量被提高到X射線和伽瑪射線波段的結果。宇宙線電子經由逆康普頓散射過程，與恆星發出的紅外波段及可見光波段的光子進行交互作用，也是透過逆康普頓散射與無所不在的宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background radiation）光子進行交互作用。

這個研究團隊是利用一個非常詳細的銀河系內側星際輻射場模型來進行各種不同物理過程的模擬，再結合INTEGRAL觀測資料後，確認能量在100～200keV之間，以及600keV~2MeV之間的瀰散輻射，主要都是由逆康普頓散射所造成的。（左上圖綠色曲線部分為理論模擬逆康普敦散射貢獻的結果）

除了逆康普頓散射之外，Bouchet等人也分辨出正子與電子對滅（annihilation）、不穩定原子核發生放射性衰變等過程所產生的瀰散輻射。當帶正電的正子和帶負電的電子對撞時，會發生兩種狀況：一是可能會立刻互相毀滅並釋放出一對能量為511keV的光子；要不然可能是會產生一個不穩定、生命期極短的「正子電子偶（positronium）」，這個雙粒子系統會隨即衰變成2個以上的光子，並因而產生能量在511keV以上的連續光譜顯著特徵。資料顯示，在能量高於1MeV之處也有2種不穩定同位素—鋁-26（²⁶Al）和鐵-60（⁶⁰Fe）的明顯衰變特徵。這顯示這些經由近期超新星爆炸過程的核融合所產生的放射性原子核，遍及銀河系各處的瀰散星際介質中。（左上圖紫色實線部分為理論模擬正子電子對滅的結果）

Bouchet還表示：除了這些物理機制外，觀測資料中能量低於50keV的來源部分必須再深入探討。根據INTEGRAL先前利用IBIS相機觀測的資料，這部分很可能來自許多尚未解析出的暗源所發出的輻射互相重疊的結果；其中，擁有非常熾熱日冕的恆星和激變星（cataclysmic variable stars）等，則最有可能是這些尚未解析的輻射來源天體。（左上圖紅色曲線為理論模擬暗源貢獻的結果）

目前INTEGRAL還在正常工作中，Bouchet等人希望未來資料繼續累積後，能再提高資料的靈敏度與解析度，讓他們能繼續測試尚未解出的部分，並將各種輻射源的重要物理參數範圍縮減，一一找出各種粒子的真實來源天體。

資料來源：INTEGRAL deciphers diffuse signature of cosmic-ray electrons[2011.12.21]

轉載字台北天文館之網路天文館網站