在晴朗的夜晚，遠離城市燈光，您可能會看到一道美麗的結構橫跨天空：我們的家園星系，銀河系。自古代以來，人類就對在銀河背景下呈現輪廓的黑暗塵埃雲感到驚歎。僅僅在四個世紀前，伽利略將他的望遠鏡指向天空，發現看似潑灑在黑暗天空中的“牛奶”實際上是無數恆星混合的光芒。
銀河系的結構現在再次被修正。我們和我們的合作者發現了巨大的結構，它們聳立在銀河系中心之上，並延伸數萬光年進入太空。這些發光的瓣狀結構長期以來一直未被注意到，因為它們在伽馬射線中發出最明亮的光芒，而伽馬射線無法穿透我們的大氣層。我們需要一種全新的望遠鏡，在太空中執行，才能看到它們。
我們尚不清楚是什麼產生了這些我們稱之為費米氣泡的結構。但它們似乎是由銀河系中心深處發生的神秘過程驅動的——這是一個混亂的區域，在那裡，超大質量黑洞攪動著滾燙的氣體漩渦，而劇烈的超新星爆發則像水仙花一樣從富饒的恆星育兒土壤中綻放出來。
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像許多令人驚訝的發現一樣，我們偶然發現了費米氣泡。現在我們已經開始細緻地繪製它們特徵的地圖。銀河系的巨型氣泡有望揭示關於我們星系的結構和歷史的深刻秘密。
令人驚訝的發現
關於銀河系內部存在異常現象的最初線索並非來自伽馬射線，而是來自微波。那是2003年，我（芬克拜納）試圖使用威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）的資料更好地理解宇宙的起源，WMAP當時是最新的、最偉大的宇宙學衛星。我當時是普林斯頓大學的博士後研究員，研究附近的星際塵埃如何遮蔽來自WMAP預期目標——來自宇宙大爆炸的暗淡餘輝——的訊號。塵埃本身就很有趣，但對於宇宙學家來說，它就像窗戶上的汙跡，是一種需要擦掉的麻煩。為了做到這一點，我們對塵埃訊號進行建模，並從資料中減去它。
由於天文學家被迫從銀河系內部觀測宇宙，我還必須減去由穿過銀河系的高能粒子（如電子）產生的微波訊號。在2003年，天文學家已經對這些訊號有了相當複雜的理解，但有些地方不符。我可以模擬大部分銀河系輻射，但當我試圖從我們關於銀河系內部的資料中減去它時，總會剩下一些東西。我將這種剩餘訊號命名為“微波霧霾”。
這種來自銀河系中心的神秘訊號沒有已知的解釋，但天文學家很快就提出了想法。最令人興奮的可能性是，這種霧霾是隱藏暗物質的證據。沒有人知道暗物質是什麼，只知道它透過引力與普通物質相互作用[參見博格丹·A·多佈雷斯庫 (Bogdan A. Dobrescu) 和唐·林肯 (Don Lincoln) 的文章“隱藏宇宙之謎”]。科學家們預計引力會將暗物質拉向銀河系中心。在銀河系核心的稠密暗物質雲中，暗物質粒子碰撞的頻率將高於銀河系的其他地方。
人們認為暗物質可能包括粒子和反粒子。如果這是真的，那麼碰撞的暗物質和暗反物質碎片將相互湮滅，併產生級聯的中間粒子。級聯最終可能以產生高能光子（伽馬射線），以及一個普通物質的高能電子和一個正電子——電子帶正電的反物質對應物而結束。
我們看不到暗物質，但我們應該能夠看到它產生的這些粒子。當電子和正電子在銀河系中心的磁場纏結中扭曲和轉動時，它們應該會發出同步加速輻射——帶電粒子被迫轉彎時發出的發光廢氣。
我們看到的微波霧霾可能是暗物質產生的同步加速輻射的人工產物。但我們如何才能確定呢？產生同步加速微波的相同電子也應該透過兩個不同的過程產生伽馬射線：被其他帶電粒子減速，以及與光子碰撞。
如果微波霧霾是由高能電子引起的——可能是暗物質湮滅的結果——那麼我們也應該能夠透過使用費米伽馬射線太空望遠鏡來找到高能伽馬射線，該望遠鏡於2008年發射升空。我已經成為一名教授，並在2009年夏天與當時的博士後研究員格雷戈裡·多布勒 (Gregory Dobler) 一起工作，當時費米衛星的資料向公眾釋出。我們立即衝去製作我們第一批銀河系伽馬射線圖。經過幾個漫長的日日夜夜，我們發現銀河系內部存在過量的伽馬射線霧霾，這似乎與微波霧霾相匹配。我們和我們的合作者迅速提交了一篇論文，認為這些訊號是相關的。我們斷言，它們都可能是由銀河系中心的高能電子群體引起的，但我們沒有推測電子的來源。
下一個線索花了一點時間才出現。在2009年10月，我在我的辦公室裡用新發布的費米資料重新制作我們第一篇論文中的一些圖表。我注意到最初的伽馬射線資料顯示出微弱的邊緣——訊號急劇下降的清晰邊界。在天文學中，鮮明的特徵通常來自瞬態事件。例如，超新星可能會發出衝擊波，在我們的望遠鏡中表現為明顯的邊緣。隨著時間的推移，鮮明的特徵往往會變得平滑並逐漸消失。
如果暗物質導致了伽馬射線訊號，那麼下降應該很平滑——隨著遠離銀河系中心而緩慢衰減——因為暗物質湮滅已經持續了數十億年。任何鮮明的邊緣都早已消散。
在第一批費米資料中，邊緣看起來非常粗糙，以至於我們只是將其歸咎於訊號中的噪聲而忽略了它們。現在它們又在新資料中出現了，我開始懷疑。我將它們展示給我當時的博士生蘇萌 (Meng Su) 和特蕾西·斯拉特耶 (Tracy Slatyer)，他們都同意它們是真實的。然後蘇萌 (Su) 真正投入進來並開始工作——我想幾乎是不眠不休地——推匯出邊緣的確切形狀。在幾天之內，我們徹底改變了我們對資料中內容的看法。暗物質出局了。氣泡進來了。2010年5月，蘇萌 (Su)、斯拉特耶 (Slatyer) 和我向《天體物理學雜誌》提交了一篇論文，描述了這些結構，並以費米望遠鏡的名字命名為“費米氣泡”。
氣泡製造者
儘管沒有人預料到會發現由高能電子和原子核（稱為宇宙射線）組成的氣泡從銀河系上方突出來數萬光年，但這也許不應該那麼令人震驚。
許多其他星系也有氣泡。我們可以在X射線和無線電波中看到它們。如果我們有更好的伽馬射線望遠鏡，我們可能會發現它們也在伽馬射線中發光。
我們瞭解在許多其他星系中產生氣泡的過程。在某些情況下，氣泡的起源可以追溯到巨大的黑洞——通常具有數十億個太陽的質量——它錨定著星系的中心。當來自星系的物質落向黑洞時，它開始像浴缸排水的水一樣旋轉。這種滾燙的氣體和塵埃漩渦產生強烈的磁場，這些磁場為輻射和宇宙射線粒子射流提供動力，這些射流可能會使氣泡膨脹。
我們知道銀河系中心也有一個超大質量黑洞，但我們從未觀察到從其核心射出的強烈輻射射流。（如果存在射流，它也沒有指向我們，謝天謝地。）因此，我們沒有直接證據表明這個過程正在使費米氣泡膨脹。
另一方面，一大片氣體雲——麥哲倫星流——位於銀河系中心上方的高處。如果輻射射流指向那裡，它將暫時從雲中的原子中剝離電子。當電子和離子重新結合時，複合會產生輻射。
2013年，天文學家發現了完全是這樣的情況。也許在幾百萬年前，銀河系中心黑洞發生了一次強烈的吸積事件——一個高速旋轉的滾燙下落物質漩渦，產生了高能射流和紫外線輻射。反過來，輻射會撞擊麥哲倫星流中的電子。這個事件也可能產生了費米氣泡。
或者，一些星系的氣泡是其中心附近強烈恆星形成的副產品。在恆星育兒所中，恆星形成各種不同的尺寸。恆星的質量越大，其核燃料燃燒得越快。當燃料耗盡時，恆星的核心坍縮並釋放出巨大的能量，將恆星的外層撕裂，發生超新星爆發，留下中子星或黑洞。總的來說，這些超新星爆發會產生粒子風，這些粒子風可以使星系中心周圍的氣泡膨脹。
我們知道銀河系中心也一直是恆星強烈形成的區域。中心黑洞周圍的數千顆恆星只有大約六百萬年的歷史——在宇宙時間裡只是蹣跚學步的幼兒。然而，如果質量極大的恆星也在這個相同的恆星育兒所中形成，那麼六百萬年就足夠它們已經作為超新星爆發了。這些超新星爆發會從銀河系中心驅動出一陣熱氣體風——這陣風可能強大到足以使氣泡膨脹。
照亮星系的歷史
費米氣泡的故事與銀河系的歷史和演化緊密相連。最近的觀測表明，這些氣泡大約在250萬至400萬年前形成，可能有助於揭示銀河系中心黑洞是如何形成和演化的。這些氣泡還可以教會我們關於黑洞如何吸入附近物質的物理學，以及高能宇宙射線如何與星際氣體相互作用。雖然像費米氣泡這樣的結構存在於其他遙遠的星系中，但在銀河系中有一個例子可以讓我們近距離研究這些系統。
為此，我們正試圖使用整個電磁頻譜來觀測氣泡。關於氣泡最令人驚奇的事情之一是，它們在伽馬射線中如此巨大和明亮，但在其他頻率下幾乎不可見。來自普朗克航天器的新資料正在提供重要的線索，該航天器已經繪製了整個天空的微波輻射圖。暗物質粒子探測衛星計劃於2015年末發射，它將繪製比我們迄今為止用費米大面積望遠鏡看到的更高能量的伽馬射線圖。
我們也在嘗試繪製X射線中的氣泡圖，儘管我們受到當前技術的限制。這些氣泡是聳立在星系之上的巨大結構，但目前在軌道上執行的幾乎所有X射線衛星都具有狹窄的視場。這項挑戰類似於用吸管窺視山脈來繪製地圖。我們期待2017年發射的Spectrum-Roentgen-Gamma衛星，該衛星旨在對中等能量X射線進行新的天空普查。
從伽利略發現銀河系是由恆星組成的，到天文學家意識到我們的星系只是宇宙中數十億個星系中的一個，經歷了三個世紀。如果幸運的話，我們將在比這更短的時間內理解費米氣泡的真正意義。
伽馬射線之眼
地球大氣層阻擋了伽馬射線，伽馬射線的能量是可見光的數十億倍，因此天文學家測量它們的一種方法是升到大氣層之上。費米伽馬射線太空望遠鏡是有史以來發射的最強大的伽馬射線天文臺。它包含兩個主要儀器：一個爆發監視器（未顯示），用於在整個天空搜尋瞬態伽馬射線爆發的證據；以及大面積望遠鏡（LAT），它是發射過的最靈敏、解析度最高的伽馬射線探測器。
LAT與任何光學望遠鏡都截然不同：它沒有鏡子，沒有透鏡，也沒有焦平面。相反，它的運作更像一個粒子物理實驗。每個入射的伽馬射線都會從望遠鏡中的原子核上反衝，並轉化為一個電子及其反物質對應物——正電子。然後，這些粒子透過車載探測器和量熱計進行跟蹤，量熱計測量能量。地面上的進一步資料分析會過濾掉背景噪聲，並揭示原始伽馬射線的方向和能量。大多數望遠鏡一次只能看到天空的一小部分，天文學家花費大量精力來決定要觀測天空的哪些部分。望遠鏡時間的競爭非常激烈，通常在預計不會有任何有趣事物的天空大片區域進行觀測是不可行的。與此形成鮮明對比的是，費米的視場覆蓋了天空的五分之一，這使其能夠每三個小時觀測天空的廣闊範圍。這種全天候覆蓋使天文學家有機會找到像費米氣泡這樣大型、微弱的驚喜。——D.F.、M.S. 和 D.M。