在晴朗的夜晚，遠離城市燈光，你可能會看到一個美麗的結構橫跨天空：我們的家園星系，銀河系。自古代以來，人類就對銀河背景下深色的塵埃雲感到驚歎。僅僅在四個世紀前，伽利略將他的望遠鏡指向天空，發現銀河是無數恆星混合的光芒。
銀河系的結構再次被修正。利用一種全新的望遠鏡，我們和我們的合作者發現了巨大的結構，它們高聳於銀河系中心之上，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。
我們尚不知道是什麼產生了這些費米氣泡，正如我們所稱呼的那樣。但它們似乎是由銀河系中心深處發生的神秘過程驅動的——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，而劇烈的超新星則像水仙花一樣從富饒的恆星育兒所中綻放出來。
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像許多意想不到的發現一樣，我們幾乎是偶然發現了費米氣泡。但現在我們已經發現了它們，我們已經開始細緻地繪製出它們的特徵。我們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。
意外的發現
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）試圖利用威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）的資料，更好地瞭解宇宙的起源，當時WMAP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預定目標——來自宇宙大爆炸微弱餘輝的微波——的訊號。塵埃本身就很有趣，但對於宇宙學家來說，它就像擋風玻璃上的汙跡，需要建模並從資料中減去。
塵埃並不是我唯一需要去除的東西。由於天文學家被迫從銀河系內部觀測宇宙，我還必須減去由高能粒子（如電子）穿過銀河系產生的微波訊號。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，但當我試圖在銀河系內部減去它時，總會剩下一些東西。我將這種剩餘的訊號命名為“微波霾”。
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。科學家們預計，引力會將暗物質拉向銀河系中心。在銀河系核心密集的暗物質雲中，暗物質粒子偶爾會碰撞，或許會在這個過程中產生電子和正電子。
即使我們看不到暗物質，我們也應該能夠看到這些粒子。當它們在銀河系中心錯綜複雜的磁場中扭曲和轉動時，它們應該會發出所謂的同步輻射——帶電粒子被迫轉彎時發出的明亮尾氣。
我們看到的微波霾可能是暗物質產生的同步輻射的人工產物。但我們如何才能確定呢？產生同步微波的相同電子還會產生額外的後果：它們也應該與現有的光子碰撞，並在稱為逆康普頓散射的過程中將這些光子加速到極高的能量。
很快，人們達成共識：如果微波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找到高能伽馬射線。我們轉向了費米伽馬射線太空望遠鏡，該望遠鏡旨在研究太空中的伽馬射線。
來自費米衛星的資料於2009年8月24日向公眾釋出。到那時，我已經成為一名教授，我的時任博士後研究員格雷戈裡·多布勒和我趕緊製作了我們第一張銀河系伽馬射線圖。經過幾個漫長的日日夜夜，我們發現銀河系內部存在明顯的伽馬射線過量，這似乎與微波霾相匹配。我們和我們的合作者迅速提交了一篇論文，論證這些訊號是相關的。我們斷言，它們都可能是由銀河系中心的高能電子群引起的，但我們沒有推測電子的來源。
下一個謎題花了一段時間才解開。2009年10月，我在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——訊號驟降的清晰邊界。在天文學中，尖銳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，尖銳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，那麼下降應該是平滑的——隨著你向遠離銀河系中心的方向看去，訊號會逐漸減弱——因為暗物質湮滅已經持續了數十億年。任何尖銳的邊緣都早已消失殆盡。
在第一批費米資料中，邊緣看起來非常粗糙，我們只是將它們歸咎於訊號中的噪聲並忽略了它們。現在它們又出現在新資料中，我開始懷疑起來。我把它們展示給我當時的研究生蘇萌和特蕾西·斯拉特耶，他們都同意這些邊緣是真實的。然後蘇萌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，我們完全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、斯拉特耶和我向《天體物理學雜誌》提交了一篇論文，描述了這些結構，併為了紀念費米望遠鏡，將它們命名為“費米氣泡”。
氣泡製造者
儘管沒有人預料到會發現由高能宇宙射線組成的氣泡從銀河系上方伸出數萬光年，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。
我們理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一個巨大的黑洞——通常質量是太陽的數十億倍——它錨定著星系的中心。當來自星系的物質落向黑洞時，它開始像浴缸中排水的水一樣旋轉。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噴流提供動力，這些噴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噴射出強烈的輻射噴流。（如果存在噴流，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高處。如果輻射噴流指向那裡，它會暫時剝離雲中原子的電子。當電子和離子重新結合時，它們會產生所謂的複合輻射。
天文學家已經發現了這一點。也許大約一百萬年前，銀河系中心黑洞發生了一次強烈的吸積事件——吸積產生了高能噴流和紫外線輻射，擊打了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，像附近的M82星系這樣的星系，它們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大小。恆星質量越大，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，形成超新星爆發，留下中子星或黑洞。這些超新星會產生粒子風，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——在宇宙時間尺度上只是嬰兒。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，那麼六百萬年對於它們來說已經足夠長，可以作為超新星爆發。這些超新星會驅動熱氣體風從銀河系中心吹出——這種風可能強大到足以使氣泡膨脹。
下一步
正如我們所見，費米氣泡的故事與銀河系的歷史和演化緊密相連。氣泡還可以教會我們關於黑洞如何吸引附近物質以及高能宇宙射線如何與星際氣體相互作用的物理學知識。儘管像費米氣泡這樣的結構存在於其他星系中，但氣泡使我們能夠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，它們在伽馬射線中巨大而明亮，但在其他頻率中幾乎不可見。我們希望來自普朗克航天器的新資料——它已經繪製了整個天空的微波輻射圖——將提供重要的線索。我們也在嘗試繪製氣泡的X射線圖，儘管我們受到當前技術的限制。氣泡是高聳於銀河系之上的巨大結構，但幾乎所有的X射線衛星都具有狹窄的視野。這個挑戰類似於透過紙巾筒觀察來繪製山脈。
在伽利略發現銀河系是由恆星組成的三個世紀後，天文學家才理解我們的星系只是遍佈宇宙的數十億星系之一。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。
*勘誤（2014年9月3日）：由於本句中的編輯錯誤，M82被稱為附近的星系；它是一個星雲。作者打算用M82作為例子，M82是一個星系。