الفلك

هل يمكن إنتاج فقاعات فيرمي في مجرات غير لولبية؟

هل يمكن إنتاج فقاعات فيرمي في مجرات غير لولبية؟

في عام 2010 ، اكتشفت الملاحظات باستخدام تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة جاما فقاعات عملاقة أطلق عليها اسم Fermi Bubbles. تم اكتشاف هياكل مماثلة أيضًا بواسطة Pshirkov et al. (2016) المحيطة M31 (مجرة المرأة المسلسلة).

مجرتنا و M31 حلزون. هل يمكن أن تتشكل فقاعات فيرمي أيضًا حول أنواع المجرات الأخرى ، على سبيل المثال المجرات العدسية أو الإهليلجية؟


تشير ورقة الاكتشاف (Su et al. 2010) إلى أن الأصداف ثنائية القطب بترتيب 0.5 دولار نص {kpc} $ تم العثور عليها على جانبي نواة Centaurus A (Quillen et al. 2006). Centaurus A هي مجرة ​​ذات مورفولوجيا متنازع عليها ، من المحتمل أنها إما بيضاوية الشكل أو عدسية - وبالتأكيد ليست حلزونية. يبدو أن هذا مؤشر قوي على أنه يمكن بالفعل العثور على فقاعات مماثلة في المجرات غير الحلزونية.

الآن ، القذائف النووية Quillen et al. تم الكشف عنها في أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (5.8 و 8.0 و 24 $ mu text {m} $) ، وليس عن طريق أشعة جاما التي يستخدمها Su et al. اكتشف فقاعات فيرمي. ومع ذلك ، يعتقد المؤلفون أنه ربما كان السبب في ذلك هو حدوث انفجار في تشكل النجوم قبل بضعة ملايين من السنين ، مدفوعًا بالرياح. هذا هو أحد السيناريوهين الرئيسيين اللذين نظر فيهما Su et al. لتشكيل فقاعات مجرة ​​درب التبانة (الآخر هو نشاط AGN) ، مما يعني أن نفس العمليات يمكن أن تكون بالفعل تعمل في كلتا المجرتين. لا أعرف ما إذا كان قد تم اكتشاف انبعاثات أشعة جاما المقابلة من الفقاعات النووية في Centaurus A منذ ذلك الحين ، لكنها بالتأكيد تبدو معقولة.

أجد أنه من الغريب بعض الشيء أن Pshirkov et al. كانوا حريصين جدًا على التركيز على المجرات الحلزونية. من الواضح أن المجرات النجمية والمجرات المضيفة للنواة المجرية النشطة يمكن أن يكون لها بوضوح أشكال غير لولبية. ربما كانت المجموعة مهتمة فقط بالبحث عن فقاعات نووية أخرى على مجرات مشابهة لمجرة درب التبانة والتي قد تكون لها ظروف وتاريخ تطوري مماثل.


مركز المجرة

ال مركز المجرة (أو مركز المجرة) هو المركز الدوراني لمجرة درب التبانة ، وهو عبارة عن ثقب أسود فائق الكتلة تبلغ كتلته حوالي 4 ملايين كتلة شمسية ، والذي يعمل على تشغيل مصدر الراديو المضغوط Sagittarius A *. [1] [2] [3] يبعد حوالي 8 كيلو فرسخ (26000 ليلي) عن الأرض [4] في اتجاه الأبراج القوس والحواء والعقرب حيث تظهر درب التبانة أكثر سطوعًا.

يوجد حوالي 10 ملايين نجم داخل فرسخ فرسخ واحد من مركز المجرة ، يهيمن عليها عمالقة حمراء ، مع عدد كبير من العمالقة العملاقة الضخمة ونجوم وولف رايت من تكوين النجوم في المنطقة منذ حوالي مليون سنة.


1 المقدمة

10 33–35 erg s 1 ، وهو أقل بمقدار 10 9-11 مرة من لمعان Eddington لثقب أسود كتلته 4 × 10 6 M. تم الإبلاغ عن أنشطة إشعال قصيرة من اللمعان حتى بضع مرات 10 39 erg s 1 بواسطة بعثات سواتل الأشعة السينية [7] ، ولكن هذه القيمة لا تزال بعيدة عن ناتج النوى المجرية النشطة القوية وعالية السطوع مثل الكوازارات في علم الكونيات. المسافات.

200 جهاز كمبيوتر من Sgr A * ، مما يشير إلى حدوث طرد نشط للبلازما من Sgr A * منذ حوالي 1 Myr [9]. يمكن فهم كلتا مراقبي الأشعة السينية إذا كان Sgr A * أكثر إشراقًا في الماضي. على وجه الخصوص ، في الحالة الأخيرة ، يجب أن يكون اللمعان المطلوب لإنشاء التكتل الزائد عن طريق التأين الضوئي

10 44 erg s −1 ، وهي قريبة من لمعان Eddington. بالإضافة إلى ذلك ، في سماء الراديو ، تظهر الحلقة Loop I ، وهي حلقة متصلة تمتد عبر 100 درجة في السماء ، وذراعها اللامع ، المعروف باسم North Polar Spur (NPS) ، بوضوح. في الماضي ، كانت هناك آمال في العثور على أقواس راديو مماثلة يُشار إليها باسم الحلقات II و III و IV [10]. يعتقد معظم الباحثين أن هذه الهياكل العملاقة يتم إنشاؤها بواسطة بقايا المستعرات الأعظمية القديمة المحلية. من بينها Loop I كان يعتقد أنها فقاعة فائقة في منطقة تكوين النجوم Sco-Cen على بعد 130 قطعة من الشمس [10،11]. في سبعينيات القرن الماضي ، تم اقتراح تفسير بديل مفاده أن الحلقة 1 و NPS هي بقايا انفجار نجمي أو انفجار نووي حدث في GC منذ حوالي 15 Myr منذ حوالي 15 Myr [12،13،14،15،16]. ومع ذلك ، تم تجاهل هذا النموذج تقريبًا حتى إطلاق تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة غاما [17 ، 18 ، 19].

40 درجة ، وهي متناظرة تقريبًا. يرتبط انبعاث أشعة غاما للفقاعات مكانيًا بما يسمى بضباب الميكروويف WMAP (مسبار تباين الميكروويف ويلكينسون) [29] ، وهو كروي نصف قطره

4 kpc المتمركزة في GC تم تأكيد هذا الارتباط مؤخرًا من خلال ملاحظات بلانك [30]. علاوة على ذلك ، فإن الفصوص الراديوية العملاقة المكتشفة حديثًا والمستقطبة خطيًا المنبثقة من GC تتوافق بشكل وثيق مع فقاعات فيرمي [31]. مع هذه النتائج الجديدة ، عاد هيكل NPS / Loop I إلى دائرة الضوء ، لا سيما بسبب الطاقة المقدرة (

10 55-56 erg) ومقياس الوقت (

10 Myr) اللازمة لإنشاء مثل هذه الهياكل متوافقة مع تلك المطلوبة لإنشاء فقاعات Fermi. في هذا السياق ، قد يكون التحسين الساطع للأشعة السينية المرتبط بـ NPS ، المرئي بوضوح في خريطة ROSAT لكل السماء [32] ، عبارة عن غاز الهالة المجري الذي تم مسحه وتسخينه بشكل ضعيف عبر تمدد الصدمة [33].

0.2 ض تم العثور عليها داخل خط الطول المجري | ل | & lt 20 درجة وخط العرض 5 درجات & lt | ب | & lt 60 درجة ، تغطي المدى الكامل لفقاعات فيرمي. ومع ذلك ، لا تزال هناك أسئلة ، لماذا سماء الأشعة السينية في الشمال والجنوب غير متناظرة للغاية ، على الرغم من أن فقاعات فيرمي متماثلة فوق وتحت GC؟ ما الذي يصنع الفرق في انبعاثات أشعة جاما المرتبطة بفقاعات Fermi و Loop I ، ولماذا يكون Loop I فقط مشرقًا بشكل استثنائي في سماء الراديو والأشعة السينية؟ في هذه الورقة ، نحاول الإجابة على كل هذه الأسئلة من خلال تلخيص المعرفة الحالية الواردة في بيانات الأشعة السينية الأرشيفية حول فقاعات Fermi وهيكل NPS / Loop I.


فقاعات من مركز المجرة: هل هي مفتاح لفهم المادة المظلمة وماضي مجرتنا؟

بالمقارنة مع المجرات الأخرى ، تعتبر درب التبانة مكانًا هادئًا. لكنها لم تكن دائما بهذا الشعور بالنعاس. في عام 2010 ، اكتشف فريق من العلماء العاملين في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية زوجًا من "فقاعات فيرمي" تمتد عشرات الآلاف من السنين الضوئية فوق وتحت قرص درب التبانة. هذه الهياكل هي بالونات هائلة من الإشعاع تنبعث من مركز مجرتنا. يلمحون إلى حدث قوي وقع منذ ملايين السنين ، على الأرجح عندما كان الثقب الأسود في مركز مجرتنا يتغذى على كمية هائلة من الغاز والغبار - ربما عدة مئات أو حتى آلاف المرات من كتلة الشمس.

حديثًا من إلقاء محاضرة جائزة روسي في 6 يناير في اجتماع الجمعية الفلكية الشتوية الأمريكية ، تحدث ثلاثة علماء فيزياء اكتشفوا فقاعات فيرمي - دوغلاس فينكباينر ، وتريسي سلاتير ومينغ سو - مع مؤسسة كافلي ، وكشفوا أن دراسات فقاعات فيرمي قد عرض نظرة ثاقبة على تاريخ مجرتنا. مع مزيد من الدراسة ، يمكنهم أيضًا المساعدة في البحث عن المادة المظلمة.

قال مينج سو ، زميل بابالاردو وزميل آينشتاين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد MIT Kavli لـ: "يبدو الآن أنه في الماضي ، كان ثقبنا الأسود أكثر نشاطًا بعشرات الملايين من المرات مما هو عليه حاليًا". الفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء. "قبل اكتشاف فقاعات فيرمي ، كان الناس يناقشون هذا الاحتمال ، لكن لم يكن هناك دليل واحد يُظهر أن ثقبنا الأسود يمكن أن يكون نشطًا إلى هذا الحد. وقد غير اكتشاف فقاعة فيرمي الصورة."

يمكن رؤية فقاعات مماثلة في مجرات أخرى ، لكن لا يزال من المستحيل تحديد ما إذا كانت فقاعات فيرمي قد تم إنتاجها بنفس الآلية مثل الفقاعات الأخرى ، تابع منغ. هذا لأنه بينما تتألق فقاعات فيرمي في أشعة جاما عالية الطاقة ، فإن الفقاعات في المجرات الأخرى بعيدة جدًا بحيث لا يمكن رؤية أشعة جاما الخاصة بها من الأرض. بدلاً من ذلك ، يتم ملاحظة الفقاعات البعيدة في الأشعة السينية والراديو والميكروويف. قد تقدم القياسات المستقبلية الأكثر دقة لفقاعات Fermi في العديد من الأطوال الموجية للضوء نظرة ثاقبة حول كيفية مقارنتها بالفقاعات في المجرات الأخرى ، ويمكن أن تساعد في الكشف عن الأحداث التي حدثت في قلب مجرتنا خلال الثلاثة إلى أربعة ملايين سنة الماضية.

لكن هذا ليس كل شيء. قد تساعد الدراسة الإضافية لفقاعات فيرمي ، التي اكتشفها علماء الفيزياء الفلكية لأول مرة عند البحث عن المادة المظلمة ، في تحديد المادة المظلمة. ذلك لأن مركز المجرة ، الذي نشأت منه الفقاعات ، يُعتقد أنه أحد أفضل الأماكن للعثور على دليل على المادة المظلمة. يمكن اكتشاف مثل هذا الدليل على أنه فائض من أشعة جاما ، ينتج عندما تتفاعل جسيمات المادة المظلمة مع بعضها البعض. للعثور على هذا الفائض ، سيحتاج علماء الفيزياء الفلكية إلى فهم فقاعات فيرمي تمامًا. سيسمح هذا الفهم للباحثين بطرح أشعة جاما المنبعثة من فقاعات فيرمي بثقة من إشارة أشعة جاما الكلية قبل البحث عن فائض من أشعة جاما القادمة من المادة المظلمة.

قالت تريسي سلاتير ، أستاذة الفيزياء المساعدة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأحد المنتسبين ، في بعض النماذج الأكثر قبولًا للمادة المظلمة ، "نتوقع أن تكون الإشارات من مركز المجرة أكثر سطوعًا من أي مكان آخر في السماء". عضو هيئة تدريس في معهد MIT Kavli للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء. "لذا فإن مجرد التخلي عن مركز المجرة ليس خيارًا جيدًا بشكل عام."

في الواقع ، تابع سلاتير ، هناك تلميحات بالفعل للمادة المظلمة تظهر في خرائط أشعة جاما لمركز المجرة - تلميحات قد تؤدي في النهاية إلى اكتشاف المادة المظلمة.

يوافقه الرأي دوجلاس فينكباينر ، أستاذ علم الفلك والفيزياء بجامعة هارفارد وعضو معهد النظرية والحساب في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية.

وقال: "ستكون مفارقة كبرى إذا وجدنا فقاعات فيرمي أثناء البحث عن المادة المظلمة ثم أثناء دراسة فقاعات فيرمي اكتشفنا المادة المظلمة".


تحديث علماء الفيزياء الفلكية حول فقاعات فيرمي الهائلة وغير المتوقعة

تمتد فقاعات Fermi من مركز مجرتنا & # 8217s. تمتد من النهاية إلى النهاية 50000 سنة ضوئية ، أو ما يقرب من نصف قطر مجرة ​​درب التبانة و # 8217. رسم توضيحي عبر NASA & # 8217s Goddard Space Flight Centre

في عام 2010 ، اكتشف العلماء العاملون في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية فقاعات فيرمي الغامضة التي تمتد عشرات الآلاف من السنين الضوئية فوق وتحت قرص مجرتنا درب التبانة. تشير هذه البالونات الهائلة من أشعة جاما النشطة إلى حدث قوي وقع في مجرتنا منذ ملايين السنين ، ربما عندما احتوى الثقب الأسود الهائل في قلب المجرة على كمية هائلة من الغاز والغبار. في يناير 2015 ، تحدث علماء الفيزياء الفلكية الثلاثة الذين اكتشفوا فقاعات Fermi مع Kelen Tuttle من مؤسسة Kavli عن المحاولات المستمرة لفهم سبب وآثار هذه الهياكل غير المتوقعة والغريبة ، بالإضافة إلى الطرق التي قد تساعد في البحث عنها. المادة المظلمة. ما يلي هو نسخة منقحة من مناقشة المائدة المستديرة.

دوغلاس فينكبينر أستاذ علم الفلك والفيزياء بجامعة هارفارد وعضو في معهد النظرية والحساب في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية.

أداة القطع الدقيقة أستاذ مساعد للفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وعضو هيئة تدريس منتسب في معهد MIT Kavli للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء.

منغ سو زميل بابالاردو وزميل أينشتاين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد MIT Kavli للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء.

مؤسسة كافلي: عندما اكتشف ثلاثة منكم فقاعات فيرمي في عام 2010 ، كانت مفاجأة كاملة. لم يتوقع أحد وجود مثل هذه الهياكل. ما هي أفكارك الأولى عندما رأيت هذه الفقاعات الضخمة - التي تمتد على أكثر من نصف السماء المرئية - تنبثق من البيانات؟

كان Douglas Finkbeiner جزءًا من تعاون اكتشف لأول مرة أشعة جاما & # 8216haze & # 8217 بالقرب من مركز مجرة ​​درب التبانة.

دوغلاس فينكبينر: ماذا عن سحق خيبة الأمل؟ يبدو أن هناك اعتقادًا خاطئًا شائعًا بأن العلماء يعرفون ما يبحثون عنه وعندما يجدونها ، فإنهم يعرفون ذلك. في الواقع ، هذه ليست الطريقة التي يعمل بها في كثير من الأحيان. في هذه الحالة ، كنا في مسعى للعثور على المادة المظلمة ، ووجدنا شيئًا مختلفًا تمامًا. لذلك في البداية شعرت بالحيرة والحيرة وخيبة الأمل والارتباك.

كنا نبحث عن دليل على وجود مادة مظلمة في المجرة الداخلية ، والتي كانت ستظهر كأشعة جاما. ووجدنا فائضًا من أشعة جاما ، لذا اعتقدنا لبعض الوقت أن هذا قد يكون إشارة مادة مظلمة. ولكن عندما أجرينا تحليلًا أفضل وأضفنا المزيد من البيانات ، بدأنا في رؤية حواف هذا الهيكل. بدا وكأنه شكل 8 كبير مع منطاد أعلى وأسفل مستوى المجرة. ربما لن تفعل المادة المظلمة ذلك.

في ذلك الوقت ، أدليت بتعليق لسان الخد بأننا واجهنا مشكلة الفقاعة المزدوجة. بدلاً من وجود هالة كروية لطيفة كما نراها مع المادة المظلمة ، وجدنا هاتين الفقاعتين.

أظهرت تريسي سلاتير أن أشعة جاما & # 8216haze & # 8217 تأتي في الواقع من فقاعتين من البلازما الساخنة المنبثقة من مركز المجرة.

أداة القطع الدقيقة: لقد اتصلت بمحادثة حول فقاعات Fermi & # 8220Double Bubble Trouble "- لديها حلقة لطيفة لها.

FINKBEINER: نعم هو كذلك. بعد تفكيري الأول & # 8211 "يا رتق ، إنها ليست مادة مظلمة" & # 8211 كانت فكرتي الثانية ، "أوه ، لا يزال شيئًا مثيرًا للاهتمام ، لذا دعنا الآن نكتشف ما هو."

سلاتير: في ذلك الوقت ، يا دوغ ، أخبرتني شيئًا ما على غرار "الاكتشافات العلمية غالبًا ما تبشر بها" هاه ، تبدو مضحكة "أكثر من" يوريكا! "عندما بدأنا في رؤية حافة هذه الفقاعات تظهر لأول مرة ، تذكر النظر إلى الخرائط مع دوج ، الذي كان يشير إلى المكان الذي يعتقد أن هناك حوافًا ، ولم أرها على الإطلاق بنفسي. ثم بدأ المزيد من البيانات في الظهور وأصبحت أكثر وضوحًا ووضوحًا & # 8211 على الرغم من أنه ربما يكون إسحاق أسيموف هو من قالها أولاً.

لذا كان رد فعلي الأول أشبه بـ "هذا يبدو غريبًا حقًا". لكنني لن أصف نفسي بخيبة أمل. لقد كان لغزًا كنا بحاجة إلى اكتشافه.

FINKBEINER: ربما يكون المرتبك هو وصف أفضل من خيبة الأمل.

طور مينج سو الخرائط الأولى التي أظهرت الشكل الدقيق لفقاعات فيرمي.

منغ سو: أنا موافق. لقد علمنا بالفعل بوجود هياكل شبيهة بالفقاعات في الكون ، لكن هذه كانت لا تزال صدمة كبيرة. العثور على هذه الفقاعات في درب التبانة لم يكن متوقعًا من قبل أي نظريات. عندما أظهر لنا دوغ الصورة التي يمكن أن تبدأ فيها في رؤية الفقاعات ، بدأت على الفور في التفكير فيما يمكن أن ينتج هذا النوع من البنية إلى جانب المادة المظلمة. أنا شخصياً كنت أقل حيرة من الهيكل نفسه وأكثر حيرة من الطريقة التي يمكن أن تنتجها مجرة ​​درب التبانة.

سلاتير: لكن بالطبع من الصحيح أيضًا أن الهياكل التي نراها في المجرات الأخرى لم تُرَ أبدًا في أشعة جاما. على حد علمي ، بعيدًا عن مسألة ما إذا كانت مجرة ​​درب التبانة يمكن أن تصنع هيكلًا كهذا ، لم يكن هناك أبدًا توقع أننا سنرى إشارة ساطعة في أشعة جاما.

SU: هذا صحيح. لا يزال هذا الاكتشاف فريدًا ، وبالنسبة لي ، فهو بمثابة عقاب.

لوحظت تلميحات من فقاعات Fermi وحواف # 8217 لأول مرة في الأشعة السينية (الزرقاء) بواسطة ROSAT ، التي عملت في التسعينيات. تمتد أشعة جاما التي رسمها تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة جاما (أرجواني) إلى مسافة أبعد بكثير من طائرة المجرة & # 8217s. الصورة عبر NASA & # 8217s Goddard Space Flight Centre

TKF: لماذا لم تكن هذه الفقاعات متوقعة في مجرة ​​درب التبانة إذا شوهدت في مجرات أخرى؟

FINKBEINER: إنه سؤال جيد. من ناحية ، نقول إن هذه ليست غير شائعة في المجرات الأخرى ، بينما من ناحية أخرى نقول إنها كانت غير متوقعة تمامًا في مجرة ​​درب التبانة. أحد الأسباب التي جعلته غير متوقعة هو أنه في حين أن كل مجرة ​​بها ثقب أسود هائل في المركز ، في مجرة ​​درب التبانة يبلغ هذا الثقب الأسود حوالي 4 ملايين ضعف كتلة الشمس بينما في المجرات التي لاحظنا فيها فقاعات من قبل ، تميل الثقوب السوداء إلى أن تكون أكبر بمقدار 100 أو 1000 مرة من حجم ثقبنا الأسود. ولأننا نعتقد أن امتصاص الثقب الأسود للمادة القريبة هو الذي يصنع معظم هذه الفقاعات ، لم تكن لتتوقع وجود ثقب أسود صغير مثل ذلك الذي لدينا في درب التبانة ليكون قادرًا على ذلك.

SU: لهذا السبب ، لم يتوقع أحد رؤية فقاعات في مجرتنا. كنا نظن أن الثقب الأسود في مركز درب التبانة كان ثقبًا مملًا كان يجلس هناك بهدوء. لكن المزيد والمزيد من الأدلة تشير إلى أنه كان نشطًا للغاية منذ وقت طويل. يبدو الآن أنه في الماضي ، كان من الممكن أن يكون ثقبنا الأسود أكثر نشاطًا بعشرات الملايين من المرات مما هو عليه حاليًا. قبل اكتشاف فقاعات فيرمي ، كان الناس يناقشون هذا الاحتمال ، لكن لم يكن هناك دليل واحد يُظهر أن ثقبنا الأسود يمكن أن يكون نشطًا إلى هذا الحد. غير اكتشاف فقاعة فيرمي الصورة.

سلاتير: بالضبط. المجرات الأخرى التي لها هياكل متشابهة هي في الواقع بيئات مجرية مختلفة تمامًا. ليس من الواضح أن الفقاعات التي نراها في مجرات أخرى ذات أشكال مشابهة إلى حد ما لتلك التي نراها في مجرة ​​درب التبانة تأتي بالضرورة من نفس العمليات الفيزيائية.

نظرًا لحساسية الأدوات ، ليس لدينا طريقة للنظر إلى أشعة جاما المرتبطة بهذه الفقاعات في مجرات أخرى شبيهة بدرب التبانة - إذا أطلقت أشعة جاما على الإطلاق. فقاعات Fermi هي حقًا فرصتنا الأولى للنظر إلى أي شيء مثل هذا عن قرب وفي أشعة جاما ، ولا نعرف ما إذا كانت العديد من الميزات المحيرة جدًا لفقاعات Fermi موجودة في المجرات الأخرى. من غير الواضح تمامًا في الوقت الحالي الدرجة التي تكون عندها فقاعات فيرمي هي نفس الظاهرة التي نراها في بنى متشابهة الشكل عند أطوال موجية أخرى في مجرات أخرى.

SU: أعتقد أنه من حسن الحظ أن مجرتنا لديها هذه الهياكل. نتطلع إليها بوضوح شديد وبحساسية كبيرة ، مما يسمح لنا بدراستها بالتفصيل.

سلاتير: شيء من هذا القبيل يمكن أن يكون موجودًا في مجرات أخرى ، ولن نعرف أبدًا.

SU: نعم - والعكس صحيح أيضًا. من الممكن تمامًا أن تكون فقاعات Fermi من شيء لم نشهده من قبل.

FINKBEINER: بالضبط. وعلى سبيل المثال ، الأشعة السينية التي نراها قادمة من فقاعات في مجرات أخرى ، هذه الفوتونات لديها طاقة أقل بمليون مرة من أشعة جاما التي نراها تتدفق من فقاعات فيرمي. لذلك لا ينبغي أن ننتقل إلى استنتاجات مفادها أنها تأتي من نفس العمليات الفيزيائية.

SU: وهنا في مجرتنا ، أعتقد أن المزيد من الناس يطرحون أسئلة حول الآثار المترتبة على نشاط الثقب الأسود في مجرة ​​درب التبانة. أعتقد أن الصورة والأسئلة مختلفة الآن. اكتشاف هذه البنية له آثار مهمة للغاية على العديد من الأسئلة الرئيسية حول مجرة ​​درب التبانة ، وتشكيل المجرات ونمو الثقب الأسود.

جمع تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة جاما البيانات التي كشفت عن فقاعات فيرمي. الصورة عبر NASA & # 8217s Goddard Space Flight Centre

TKF: دوغ ومنغ ، في مقال من مجلة Scientific American شاركت في تأليفه مع دميتري ماليشيف ، قلت إن فقاعات فيرمي "تعد بالكشف عن أسرار عميقة حول بنية وتاريخ مجرتنا". هل ستخبرنا المزيد عن نوع هذه الأسرار؟

SU: هناك سؤالان رئيسيان على الأقل نحاول الإجابة عليهما حول الثقوب السوداء الهائلة في مركز كل مجرة: كيف يتشكل الثقب الأسود نفسه وينمو؟ ومع نمو الثقب الأسود ، ما هو التفاعل بين الثقب الأسود والمجرة المضيفة؟

أعتقد أن كيفية ملاءمة مجرة ​​درب التبانة في هذه الصورة الكبيرة لا تزال لغزا. لا نعرف لماذا تكون كتلة الثقب الأسود في مركز مجرة ​​درب التبانة صغيرة جدًا بالنسبة إلى الثقوب السوداء الأخرى الهائلة ، أو كيف يعمل التفاعل بين هذا الثقب الأسود الصغير نسبيًا ومجرة درب التبانة. توفر الفقاعات رابطًا فريدًا لكيفية نمو الثقب الأسود وكيف أثر حقن الطاقة من عملية تراكم الثقب الأسود على مجرة ​​درب التبانة ككل.

FINKBEINER: يقوم بعض زملائنا في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية بإجراء عمليات محاكاة حيث يمكنهم رؤية كيفية تسخين انفجارات المستعرات الأعظمية وأحداث تراكم الثقوب السوداء للغاز وإخراجها من المجرة. يمكنك أن ترى في بعض هذه المحاكاة أن الأشياء تسير على ما يرام وأن النجوم تتشكل وأن المجرة تدور وكل شيء يتقدم ، ثم يصل الثقب الأسود إلى حجم حرج. فجأة ، عندما يسقط المزيد من المادة في الثقب الأسود ، فإنها تصدر وميضًا كبيرًا يدفع بشكل أساسي معظم الغاز خارج المجرة. بعد ذلك ، لم يعد هناك تكوّن نجمي - لقد انتهيت نوعًا ما. إن عملية التغذية الراجعة هي مفتاح تكوين المجرات.

SU: إذا كانت الفقاعات - مثل تلك التي وجدناها - تتشكل بشكل عرضي ، فقد يساعدنا ذلك على فهم كيف يغير تدفق الطاقة الخارجة من الثقب الأسود هالة الغاز في هالة المادة المظلمة في درب التبانة. عندما يبرد هذا الغاز ، تشكل مجرة ​​درب التبانة النجوم. لذلك سيتغير النظام بأكمله بسبب قصة الفقاعة ، ترتبط الفقاعات ارتباطًا وثيقًا بتاريخ مجرتنا.

تُظهر البيانات المأخوذة من تلسكوب فيرمي الفقاعات (باللون الأحمر والأصفر) مقابل مصادر أخرى لأشعة جاما. يمتد مستوى المجرة (غالبًا بالأبيض والأسود) أفقيًا عبر منتصف الصورة ، وتمتد الفقاعات لأعلى ولأسفل من المركز. الصورة عبر NASA & # 8217s Goddard Space Flight Centre

TKF: ما هي البيانات التجريبية الإضافية أو عمليات المحاكاة اللازمة لفهم ما يحدث مع هذه الفقاعات حقًا؟

SU: في الوقت الحالي ، نحن نركز على شيئين. أولاً ، من خلال الملاحظات متعددة الأطوال الموجية ، نتطلع إلى فهم الحالة الحالية للفقاعات - مدى سرعة تمددها ، ومقدار الطاقة المنبعثة من خلالها ، وكيف يتم تسريع الجسيمات عالية الطاقة داخل الفقاعات إما بالقرب من الأسود ثقب أو داخل الفقاعات نفسها. تلك التفاصيل نريد أن نفهمها قدر الإمكان من خلال الملاحظات.

ثانيًا ، نريد أن نفهم الفيزياء. على سبيل المثال ، نريد أن نفهم كيف تشكلت الفقاعات في المقام الأول. هل يمكن أن يساعد انفجار تشكل نجمي قريب جدًا من الثقب الأسود في تكوين التدفق الخارج الذي يعمل على تغذية الفقاعات؟ يمكن أن يساعدنا هذا في فهم نوع العملية التي تشكل هذه الأنواع من الفقاعات.

FINKBEINER: أي نوع من العمل يمكن أن يمنحك كمية الطاقة المنبعثة خلال فترات زمنية محددة مهم حقًا لمعرفة ما يجري.

SU: بصدق ، أعتقد أنه من المذهل عدد الاستنتاجات التي استخلصناها من الملاحظات الأولى للفقاعات التي لا تزال صحيحة اليوم. طاقة وسرعة وعمر الفقاعات - كل هذا يتوافق مع ملاحظات اليوم. تشير جميع الملاحظات إلى نفس القصة ، مما يسمح لنا بطرح أسئلة أكثر تفصيلاً.

TKF: هذا لا يحدث في كثير من الأحيان في الفيزياء الفلكية ، حيث تكون ملاحظاتك الأولية موضعية للغاية.

FINKBEINER: هذا لا يحدث دائما ، هذا صحيح. لكننا أيضًا لم نكن دقيقين للغاية. تشير ورقتنا البحثية إلى أن عمر الفقاعات يتراوح بين مليون و 10 ملايين سنة ، ونعتقد الآن أن عمرها حوالي 3 ملايين سنة ، وهو ما بين مليون و 10 ملايين من الناحية اللوغاريتمية. لذلك ، نحن سعداء جدًا. لكن الأمر ليس كما قلنا أنه سيكون 3.76 مليون وكان على حق.

TKF: ما هي الألغاز الأخرى المتبقية حول هذه الفقاعات؟ ما الذي تتمنى أن تعلمه أكثر ولم نناقشه بالفعل؟

FINKBEINER: لدينا عمر. انتهيت. [ضحك]

TKF: ها! الآن هذا لا يبدو مثل الفيزياء الفلكية.

SU: لا ، في الواقع ، نتوقع أن نتعلم الكثير من الأشياء الجديدة من الملاحظات المستقبلية.

سيكون لدينا أقمار صناعية إضافية سيتم إطلاقها في السنوات القادمة والتي ستوفر قياسات أفضل للفقاعات. أحد الأشياء المدهشة التي وجدناها هو أن الفقاعات لها طاقة عالية. في الأساس ، تتوقف الفقاعات عن السطوع في أشعة جاما عالية الطاقة عند طاقة معينة. وفوق ذلك ، لا نرى أي أشعة جاما ولا نعرف السبب. لذلك نأمل في إجراء قياسات أفضل يمكن أن تخبرنا عن سبب حدوث هذا القطع. يمكن القيام بذلك باستخدام أقمار صناعية مستقبلية تعمل بطاقة أشعة جاما ، بما في ذلك أحد الأقمار الصناعية المسمى Dark Matter Particle Explorer والذي سيتم إطلاقه في وقت لاحق من هذا العام. على الرغم من أن القمر الصناعي يركز على البحث عن بصمات المادة المظلمة ، إلا أنه سيكون قادرًا أيضًا على اكتشاف أشعة جاما عالية الطاقة هذه ، حتى أعلى من تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة غاما ، التلسكوب الذي استخدمناه لاكتشاف فقاعات فيرمي. هذا & # 8217s حيث جاء اسم الهيكل.

وبالمثل ، نحن مهتمون أيضًا بأشعة جاما ذات الطاقة المنخفضة. هناك بعض القيود مع القمر الصناعي Fermi الذي نستخدمه حاليًا & # 8211 ، الدقة المكانية ليست جيدة تقريبًا لأشعة جاما منخفضة الطاقة. لذلك نأمل في إطلاق قمر صناعي آخر في المستقبل يمكنه رؤية الفقاعات في أشعة جاما منخفضة الطاقة. أنا في الواقع جزء من فريق يقترح بناء هذا القمر الصناعي ، ويسعدني أن أجد اسمًا جيدًا له: بانجو. لا تزال في المراحل الأولى ، ولكن نأمل أن نتمكن من الحصول على البيانات في غضون 10 سنوات. من هذا ، نأمل في معرفة المزيد عن العمليات داخل الفقاعات التي تؤدي إلى انبعاث أشعة جاما. نحن بحاجة إلى مزيد من البيانات لفهم هذا.

نرغب أيضًا في معرفة المزيد عن الفقاعات في الأشعة السينية ، والتي تحتوي أيضًا على معلومات أساسية. على سبيل المثال ، يمكن للأشعة السينية أن تخبرنا كيف تؤثر الفقاعات على الغاز في هالة درب التبانة. من المفترض أن تقوم الفقاعات بتسخين الغاز أثناء تمددها في الهالة. نرغب في قياس مقدار الطاقة من الفقاعات التي يتم إغراقها في هالة الغاز. هذا هو المفتاح لفهم تأثير الثقب الأسود على تكوين النجوم. يمكن أن يساعد في ذلك قمر صناعي ألماني روسي جديد يسمى eRosita ، من المقرر إطلاقه في عام 2016. نأمل أن تساعدنا بياناتها في معرفة التفاصيل حول جميع أجزاء الفقاعة وكيفية تفاعلها مع الغاز من حولها.

FINKBEINER: أنا أتفق تماما مع ما قاله منغ للتو. ستكون مجموعة بيانات مهمة للغاية.

سلاتير: إن معرفة الأصل الدقيق للفقاعات أمر أتطلع إليه. على سبيل المثال ، إذا قمت بعمل بعض الافتراضات الأساسية ، فيبدو أن إشارة أشعة جاما لها بعض الميزات الغريبة جدًا. على وجه الخصوص ، فإن حقيقة أن الفقاعات تبدو موحدة على طول الطريق أمر مثير للدهشة. لن تتوقع أن العمليات الفيزيائية التي نعتقد أنها تحدث داخل الفقاعات تنتج هذا التوحيد. هل هناك عمليات متعددة في العمل هنا؟ هل يبدو مجال الإشعاع داخل الفقاعات مختلفًا تمامًا عما نتوقعه؟ هل يحدث إلغاء غريب بين كثافة الإلكترون ومجال الإشعاع؟ هذه ليست سوى بعض الأسئلة التي لا يزال لدينا ، أسئلة يجب أن تلقي الضوء عليها المزيد من الملاحظات - مثل تلك التي تحدث عنها منغ.

FINKBEINER: بعبارة أخرى ، ما زلنا نبحث بالتفصيل ونقول ، "هذا يبدو مضحكًا".

TKF: يبدو أنه لا يزال هناك العديد من الملاحظات التي يجب إجراؤها قبل أن نتمكن من فهم فقاعات فيرمي تمامًا. ولكن مما نعرفه بالفعل ، هل هناك أي شيء يمكن أن يطلق النار في قلب المجرة مرة أخرى ، مما يتسبب في تكوين المزيد من هذه الفقاعات؟

FINKBEINER: حسنًا ، إذا كنا على حق في أن الفقاعات تأتي من الثقب الأسود الذي يمتص الكثير من المادة ، فما عليك سوى إلقاء مجموعة من الغاز على الثقب الأسود وسترى الألعاب النارية.

TKF: هل هناك الكثير من المواد بالقرب من ثقبنا الأسود يمكن أن تؤدي بطبيعة الحال إلى إطلاق هذه الألعاب النارية؟

FINKBEINER: بالطبع! لا أعتقد أن ذلك سيحدث في حياتنا ، لكن إذا انتظرت ربما 10 ملايين سنة ، فلن أتفاجأ على الإطلاق.

SU: هناك أجزاء أصغر من المادة ، مثل سحابة من الغاز تسمى G2 والتي يقدر الناس أنها تحتوي على كتلة تعادل ربما ثلاثة من الأرض ، والتي من المحتمل أن يتم سحبها إلى الثقب الأسود في غضون بضع سنوات فقط. ربما لن ينتج عن ذلك شيئًا مثل فقاعات فيرمي ، لكنه سيخبرنا شيئًا عن البيئة المحيطة بالثقب الأسود وفيزياء هذه العملية. قد تساعدنا هذه الملاحظات في معرفة مقدار الكتلة التي كانت ستأخذها لإنشاء فقاعات فيرمي وأنواع الفيزياء التي لعبت في تلك العملية.

FINKBEINER: هذا صحيح ، ربما نتعلم شيئًا مثيرًا للاهتمام من سحابة G2 هذه. لكن هذا قد يكون نوعًا من الرنجة الحمراء ، حيث لا يوجد نموذج معقول يشير إلى أنه سينتج أشعة جاما. سيستغرق الأمر سحابة غاز ما يقارب 100،000،000 مرة لإنتاج فقاعة فيرمي.

SU: هناك الكثير من الأدلة على أن مركز المجرة كان بيئة مختلفة تمامًا منذ عدة ملايين من السنين. لكن من الصعب استنتاج القصة الإجمالية لما كانت عليه الأمور في الماضي بالضبط وما حدث في ذلك الوقت. أعتقد أن فقاعات فيرمي قد تقدم دليلاً فريدًا ومباشرًا على وجود غاز وغبار محيط أكثر ثراءً مما غذى الثقب الأسود المركزي مما هو عليه اليوم.

TKF: تظل فقاعات فيرمي بالتأكيد مجال بحث مثير. وكذلك الأمر بالنسبة للمادة المظلمة ، وهو ما كنت تبحث عنه في الأصل عندما اكتشفت فقاعات فيرمي. كيف تجري عملية البحث عن المادة المظلمة الأصلية؟

FINKBEINER: لقد وصلنا حقًا إلى دورة كاملة. إذا كان أحد أكثر أنواع جسيمات المادة المظلمة النظرية ، جسيمات المادة المظلمة ضعيفة التفاعل ، أو WIMP ، موجودًا ، فيجب أن يعطي نوعًا من إشارات أشعة جاما. إنها مجرد مسألة ما إذا كانت هذه الإشارة في مستوى يمكننا اكتشافه. لذا ، إذا أردت أن ترى هذه الإشارة في المجرة الداخلية ، عليك أن تفهم كل الأشياء الأخرى التي تصنع أشعة جاما. اعتقدنا أننا فهمناهم جميعًا ، ثم جاءت فقاعات فيرمي. الآن نحتاج حقًا إلى فهم هذه الفقاعات تمامًا قبل أن نتمكن من العودة للبحث عن WIMPs في وسط المجرة. بمجرد أن نفهمها جيدًا ، يمكننا بثقة طرح أشعة جاما الفقاعية من Fermi من إجمالي إشارة أشعة جاما والبحث عن أي فائض من أشعة جاما المتبقية قد تأتي من المادة المظلمة.

بجمع اقتباسات من Richard Feynman و Valentine Telegdi ، "إحساس الأمس هو معايرة اليوم هو خلفية الغد ورقم 8217." تعتبر فقاعات Fermi بالتأكيد مثيرة جدًا للاهتمام بحد ذاتها ، وسوف تبقي الناس مشغولين لسنوات عديدة في محاولة لمعرفة ما هي عليه. لكنها أيضًا خلفية أو مقدمة لأي عمليات بحث عن المادة المظلمة ، ويجب فهمها لهذا السبب أيضًا.

سلاتير: هذا ما أعمل عليه في بحثي هذه الأيام. والسؤال الأول الذي طرحه دوج للتو هو: "حسنًا ، لماذا لا تبحث فقط عن دليل للمادة المظلمة في مكان آخر غير المجرة الداخلية؟" لكن في نماذج WIMP للمادة المظلمة ، نتوقع أن تكون الإشارات من مركز المجرة أكثر إشراقًا من أي مكان آخر في السماء. لذا فإن مجرد التخلي عن مركز المجرة ليس خيارًا جيدًا بشكل عام.

بالنظر إلى فقاعات فيرمي بالقرب من مركز المجرة ، وجدنا إشارة واعدة يمكن أن ترتبط بالمادة المظلمة. يمتد مسافة كبيرة من مركز المجرة ، وله الكثير من الخصائص التي تتوقعها من إشارة المادة المظلمة - بما في ذلك الظهور خارج الفقاعات أيضًا.

This is a very concrete case where studies of the Fermi bubbles uncovered something that may be related to dark matter – which is what we were looking for in the first place. It also emphasizes the importance of understanding what exactly is going on in the bubbles, so that we can get a better understanding of this very interesting region of the sky.

FINKBEINER: It would be a supreme irony if we found the Fermi bubbles while looking for dark matter and then while studying the Fermi bubbles we discovered dark matter.


Introduction

Recently, data from the Fermi-LAT have revealed [1], [2] (see also [3]) the presence of two huge bi-lobular structures in gamma-rays, the so-called “Fermi bubbles”, extending up to 50 ° above and below the galactic plane. The overall spectrum of the bubbles is ∝ E − 2 , i.e. much harder than the π 0 , inverse Compton (IC) and bremsstrahlung foregrounds from galactic cosmic rays in the disk, and extends from a spectral shoulder at about a GeV up to a cut-off/roll-over at a few hundreds of GeV. The bubbles have an almost constant surface brightness with sharp edges. The above properties as well as the size and position of the bubbles are rather robust with respect to the details of foreground subtraction making it unlikely that the bubbles are an artefact of the foreground subtraction.

Both the position at galactic longitude ℓ = 0 ° and its symmetry with respect to the galactic plane hint at the galactic centre (GC) as the origin of the bubbles. While similar structures have been observed in radio galaxies the detection of the Fermi bubbles is puzzling given that there is no evidence for present activity of the massive black hole at the GC. Understanding this would provide an excellent probe of this region which is otherwise obscured by the galactic disk. The bubbles may play an important role in the dynamics of our galaxy and constitute a source of cosmic rays. They dominate the high latitude gamma-ray emission at (and possibly contribute close to) the GC, so constitute an important background for indirect dark matter searches. It is therefore important to understand and model the origin of the non-thermal emission from the bubbles.

The observed high-energy gamma-rays can in principle be of hadronic or leptonic origin, i.e. π 0 decay or inverse Compton (IC) scattering of the ambient radiation fields (CMB, far IR and optical/UV) by high energy electrons. A model [4] for the hadronic origin invokes an increased star formation rate close to the GC in combination with a strong convective wind up to kiloparsec distances from the galactic plane. The neutral pions are produced from spallation on the ambient gas in the bubbles of an E − 2 spectrum of protons and nuclei accelerated in supernova remnants close to the GC the kinematics of the π 0 production can explain the spectral shoulder around 1 GeV. Leptonic models, on the other hand, have to explain how despite the rapid cooling of electrons the bubbles volume can be filled with a consistently hard spectrum. It has been argued that disruption of stars close by the central massive black hole can heat the ambient gas and produce shocks. Estimates for the rate of this process predict hundreds of concentric shock fronts filling the bubbles. Electrons are repeatedly accelerated by diffusive shock acceleration, thereby explaining the hard gamma-ray spectrum. The spectral cut-off/roll-over would then be due to competition of acceleration and cooling by IC (and possibly synchrotron) losses.

Data from the ROSAT X-ray satellite [5] however only show evidence for a limb brightened structure coinciding with the bubble edges, possibly from a shock front. The non-observation of X-rays from the bubble interior, on the other hand, points at a relatively thin, hot plasma. With estimates for a gas density of n ∼ 10 − 2 cm − 3 and a temperature of T ∼ 2 keV , the total energy in hot gas is ∼ 10 54 − 55 erg [1]. Furthermore, assuming velocities typical for shock fronts in the interstellar medium gives ∼ 10 7 ( U / 1000 km s − 1 ) yr for the age of the bubbles at a projected distance of 10 kpc.

Other possible scenarios for the generation of the bubbles than those above include jets emanating from the central black hole. While we choose to remain agnostic about the origin of the bubbles itself we note that a shock might have been produced by such a jet active for a few million years. It has recently been shown [6] that a light but overpressured jet powered by ∼ 10 % of the Eddington luminosity leads to a shock coincident with the bubble edge and in agreement with the overall bubble shape. In the following, we will explain the non-thermal emission from the bubbles by second-order Fermi acceleration of electrons and IC scattering of these electron on ambient radiation fields. As the electrons are constantly accelerated in the whole bubble this can lead to the hard gamma-ray spectrum.


Do black holes have indigestion? That could explain mysterious bubbles belched into space

Black holes don’t just devour things. They also spew enormous gas outflows into space, and when the supermassive black hole that lurks at the center of our solar system did that 6 million years ago, it may be the reason behind mysterious bubbles in the void.

What are now known as Fermi Bubbles are two gargantuan orbs of dust, gas and cosmic rays on either side of Sagittarius A* (Sgr A*), the Milky Way’s supermassive black hole. They were first discovered in 2010 by NASA’s Fermi Gamma-Ray Telescope. Gargantuan doesn’t even begin to cover it—they stretch 50,000 light years across. They also kind of look like a psychedelic hourglass in the colorized NASA image above (otherwise the human eye would be unable to see them). Now astrophysicists Ruiyu Zhang and Fulai Guo believe that these bubbles and their surrounding gamma rays and X-rays emerged when our supermassive black hole belched them into being.

More Black Holes

“Despite numerous studies on the bubbles, their origin and emission mechanism remain elusive,” Zhang and Guo said in a study recently published in The Astrophysical Journal, explaining that they “[used] simulations to study the scenario where the cosmic rays in the bubbles are mainly accelerated at the forward shocks driven by a pair of opposing jets from Sgr A*.”

By running simulations of the massive outflow event, which was happening just as humans began to walk on two legs, the scientists found that intense gas jets on either side of Sgr A* were able to produce such bizarre bubbles on either end of the black hole. You don’t mess with outflows that escape a black hole. Powerful and wide enough outflows can rip through the black hole’s surrounding halo of gas and create immense shock waves. In the simulations, these shock waves forced the gas into the same shape as the Fermi Bubbles as they compressed and heated it. The edges of the shock waves pushed the bubbles further and further out into space.

How you would see the Fermi Bubbles at different angles, if you could see them with the naked eye. الائتمان: ناسا

Observations that had previously been made also matched up with the simulation results. Simulated jets of gas had energy levels consistent with those emitted by supermassive black holes in other galaxies, and the temperature the gas skyrocketed to when it was heated by shock waves was also consistent with that revealed by X-ray observations of the bubbles.

“The forward shocks compress the hot halo gas, and at low latitudes, the compressed gas shows an X-shaped structure,” Zhang and Guo explained.

The entire process took about a million years, which is how long it took for those uber-powerful jets to die down, and can explain the bubbles’ strange morphology. It took another 5 million years for the bubble to reach the almost unfathomable size they have now reached. The most cosmic ray acceleration was thought to have taken place in the heads of the bubbles during the first two million years of their existence, but even though expansion slowed down, they still continued to get more and more monstrous. There are also bubbles around the bubbles, radio wave structures which the scientists believe could have been the result of a smaller shockwave event later on.

Could there be other supermassive black holes belching bubbles right now? If it happened here, it could happen anywhere out there.


Title: THE FERMI BUBBLES: SUPERSONIC ACTIVE GALACTIC NUCLEUS JETS WITH ANISOTROPIC COSMIC-RAY DIFFUSION

The Fermi Gamma-Ray Space Telescope reveals two large bubbles in the Galaxy, which extend nearly symmetrically 50 Degree-Sign above and below the Galactic center. Using three-dimensional (3D) magnetohydrodynamic simulations that self-consistently include the dynamical interaction between cosmic rays (CRs) and thermal gas and anisotropic CR diffusion along the magnetic field lines, we show that the key characteristics of the observed gamma-ray bubbles and the spatially correlated X-ray features in the ROSAT 1.5 keV map can be successfully reproduced by recent jet activity from the central active galactic nucleus. We find that after taking into account the projection of the 3D bubbles onto the sky the physical heights of the bubbles can be much smaller than previously thought, greatly reducing the formation time of the bubbles to about a Myr. This relatively small bubble age is needed to reconcile the simulations with the upper limit of bubble ages estimated from the cooling time of high-energy electrons. No additional physical mechanisms are required to suppress large-scale hydrodynamic instabilities because the evolution time is too short for them to develop. The simulated CR bubbles are edge-brightened, which is consistent with the observed projected flat surface brightness distribution. Furthermore, we demonstrate that the sharpmore » edges of the observed bubbles can be due to anisotropic CR diffusion along magnetic field lines that drape around the bubbles during their supersonic expansion, with suppressed perpendicular diffusion across the bubble surface. Possible causes of the slight bends of the Fermi bubbles to the west are also discussed. « less


Milky Way Blew Bubbles

By: Camille M. Carlisle September 14, 2012 5

احصل على مقالات مثل هذه المرسلة إلى صندوق الوارد الخاص بك

A careful analysis of Planck observations shows that there really is a mysterious haze emanating from the Milky Way’s core, mission team members say.

The evidence that our galaxy’s central supermassive black hole threw a snit fit a few million years ago has grown much stronger, scientists from the ESA’s Planck mission report in a paper recently posted on the arXiv. The team first announced the results several months ago at a conference in Italy, but the new paper presents the details of the researchers’ work.

Careful analysis of observations made by the Planck satellite produced this all-sky image at 30 and 44 GHz, which reveals a microwave haze ballooning outward from the Milky Way's center. (The jagged black line across the image is where our galaxy's disk lies.)

ESA / Planck Collaboration

two gargantuan gamma-ray bubbles Finkbeiner and his colleagues found six years later using NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope.

Astronomers have proposed various explanations for what created the haze, from the death of dark matter particles to a brief outburst from the Milky Way’s supermassive black hole, in which two jets of superhot, ionized gas blew giant bubbles in the material surrounding our galaxy. This picture of a black-hole tantrum currently stands as the favored scenario.

But even though the haze looks to match up with the Fermi bubbles, several researchers have questioned its existence. Finkbeiner’s team picked the haze out of WMAP data by subtracting maps of known emission from the observations, peeling back layers like the pages in a child’s overlay book to reveal the haze’s residue. Both the WMAP team and other researchers have argued that this method is problematic their own attempts to find the so-called haze turned up nothing, leading them to conclude that it’s likely an artifact of data processing. Subsequent analyses by Finkbeiner, Greg Dobler (Kavli Institute for Theoretical Physics at the University of California, Santa Barbara), and others have failed to convince the naysayers.

That’s where the Planck team stepped in.

“We started this trying to actually take down the claim of WMAP conclusions from Finkbeiner and others, hoping that their analysis was, frankly, circular,” says Krzysztof Górski (Jet Propulsion Laboratory and Warsaw University Observatory, Poland). Górski and his colleagues tackled the question in two ways. First, they used the simple, map-subtracting method to look for a haze in Planck’s data. But then they tried a more complex, comprehensive approach. Instead of starting with pre-fab templates, they took apart all the satellite’s data at the same time, sorting the pieces into different categories — such as “dust” or “cosmic microwave background radiation” — as they went. Then they compared these new maps with the regular templates to confirm what they were seeing. Both methods turned up a bubble-like haze.

When superimposed over data from NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope (blue), the galactic haze as seen by Planck (red and yellow) lines up with the gamma-ray bubble features. The Fermi data correspond to observations performed at energies roughly a quadrillion times greater than Planck's.

Microwave: ESA / Planck Collaboration gamma ray: NASA / DOE / Fermi LAT / Dobler et al. / Su et al.

possible jet-like features by Finkbeiner and Meng Su (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) also points to a more rollicking past for the black hole, although those jets — if they’re jets: the signal is too faint to say for sure — probably formed later, shooting up into the bubble cavities carved out by previous activity.

The WMAP team declined to comment on the Planck result until the researchers release their own interpretation of the haze as part of an upcoming bundle of publications. There’s no word yet on when that release will be.

Related story: C. Carlisle. "Milky Way's Black Hole Once Active." 16 August 2012.


Mind-boggling Fermi Bubbles probed via quasar light

View larger. | The Fermi Bubbles, discovered in 2010, extend above and below the plane of our Milky Way galaxy. They shine in gamma rays, x-rays and radio waves but are invisible to the human eye. The graphic shows how the Hubble Space Telescope was used to probe the light from a distant quasar … to analyze the Fermi Bubbles. The quasar’s light passed through one of the bubbles. Imprinted on that light is information about the outflow’s speed, composition, and eventually mass. Image via HubbleSite.

There’s news this week (January 5, 2014) from the ongoing meeting of astronomers in Seattle about the wonderful Fermi Bubbles, a vast apparent shock wave feature discovered in 2010, extending above and below the plane of our Milky Way galaxy. The bubbles look like a giant number “8” at the center of our galaxy. From the beginning, astronomers assumed these huge outflow features were caused by some major disruption from our galaxy’s core. They also identified high-energy jets extending through the bubbles in 2012. Now astronomers have ingeniously used the light of a quasar to probe one of the Fermi Bubbles, greatly increasing what we know about it. They’ve learned, among other things, that a wind is blowing from our galaxy’s core, driving the material that pushes the bubbles outward, at some 2 million miles per hour (3 million kph).

If you could see them, the Fermi Bubbles would span more than half of the visible sky, from the constellation Virgo to the constellation Grus. In other words, when you look at the night sky, chances are you’re looking right at these bubbles and jets. But – since your eyes can’t detect gamma rays, x-rays or radio waves, all of which have been used to study the bubbles – you can’t see them.

But we do see similar outflow features from the cores of other galaxies. Andrew Fox of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, lead researcher of the new study, said:

When you look at the centers of other galaxies, the outflows appear much smaller because the galaxies are farther away. But the outflowing clouds we’re seeing are only 25,000 light-years away in our galaxy. We have a front-row seat. We can study the details of these structures. We can look at how big the bubbles are and can measure how much of the sky they are covering.

In this recent work, astronomers used the Hubble Space Telescope to measure the velocity and composition of the Fermi Bubbles. They used an instrument mounted on Hubble called the Cosmic Origins Spectrograph (COS) to probe the ultraviolet light from a distant quasar that lies behind the base of the northern bubble.

Imprinted on that light as it travels through the lobe is information about the velocity, composition, and temperature of the expanding gas inside the bubble, which, the astronomers said, “only COS can provide.”

Fox’s team determined that the gas on the near side of the bubble is moving toward Earth and the gas on the far side is traveling away. COS spectra show that the gas is rushing from the galactic center at roughly 2 million miles an hour (3 million kph). Rongmon Bordoloi of the Space Telescope Science Institute, a co-author on the science paper, said:

This is exactly the signature we knew we would get if this was a bipolar outflow. This is the closest sightline we have to the galaxy’s center where we can see the bubble being blown outward and energized.

In May, 2012, astronomers announced gamma-ray jets (shown in pink) extending through the Fermi Bubbles. Read more about the 2012 discovery of the jets. Image via David A. Aguilar (CfA)

The new observations also measured, for the first time, the composition of the material being swept up in the gaseous cloud. COS detected silicon, carbon, and aluminum, indicating that the gas is enriched in the heavy elements produced inside stars and represents the fossil remnants of star formation.

COS measured the temperature of the gas at approximately 17,500 degrees Fahrenheit, which is much cooler than most of the super-hot gas in the outflow, thought to be at about 18 million degrees Fahrenheit. Fox explained:

We are seeing cooler gas, perhaps interstellar gas in our galaxy’s disk, being swept up into that hot outflow.

These astronomers say this is the first result in a survey of 20 faraway quasars whose light passes through gas inside or just outside the Fermi Bubbles — like a needle piercing a balloon.

An analysis of the full sample will yield the amount of mass being ejected. The astronomers can then compare the outflow mass with the velocities at various locations in the bubbles to determine the amount of energy needed to drive the outburst and possibly the origin of the explosive event.

Astronomers have proposed two primary theories for the possible origins for the bipolar lobes. One idea is a frenzy of star birth at the Milky Way’s center. The other is a major eruption of our Milky Way’s central supermassive black hole. In either case, the event that created the bubbles apparently took place at least 2 million years ago, at a time when our earliest human ancestors had recently mastered walking upright.

And, whatever the origin of the Fermi Bubbles, they indicate that our Milky Way’s center was much more active in the past than it is today.

Astronomers initially spotted the Fermi Bubbles using NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope in 2010. The detection of high-energy gamma rays suggested early on that a violent event in the galaxy’s core aggressively launched energized gas into space. The video below describes the 2010 discovery.


شاهد الفيديو: أغرب 10 مجرات في الكون (شهر اكتوبر 2021).