银河系大瀑布:磁性暗条的古老身世

翻译：张瀚之

校对：牧夫校对组

编排：陈宏宇

后台：朱宸宇

原文链接：https://phys.org/news/2022-11-milky-mysterious-filaments-older-distant.html

位于遥远星系团中的黑洞像“瀑布”一样，向下溢出了大规模的磁性暗条。（Credit: Rudnick and collaborators, 2022）

西北大学的物理学和天文学教授，天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的成员扎德（Farhad Zadeh）自20世纪80年代初首次发现银河系中心喷流而下的一系列大型、高度有序的磁性暗条（magnetic filaments）以来，就一直针对这些神秘的现象进行研究。

如今，40年过去了，扎德仍然对此如痴如醉。有史以来，暗条的构成和起源一直是未解之谜，困扰着天文学家们。最近，扎德和其团队的一项发现揭开了其中的巨大谜团...

随着其他星系中暗条的发现，扎德和团队首次对磁性暗条的未知起源提出了两种假说。在本月处发表在《天体物理学杂志快报》（ApJL）上的一篇新论文中，扎德的团队提出，这些磁性暗条可能是由大尺度星系风云的相互作用引起的，也可能是由弱磁场内部的湍流引起的。

扎德说：“我们对我们银河系中心的暗条了解很多，现在银河系外的暗条开始以新的形式出现。尽管环境大不相同，但这两种暗条种群的潜在物理机制是相似的。这些物体是同一族的一部分，但银河系外的暗条有着在时间和空间尺度上更古老的‘远亲’。”

暗条的存在，并不是宇宙中的个例...

扎德发现的第一个暗条长达150光年，高耸在银河系中心超大质量黑洞附近。今年，扎德又新观测到了近1000根暗条。在这一批中，有一维暗条成对成群地出现，以相等的间距堆叠，像竖琴上的琴弦一样并排，或像瀑布中的单个涟漪一样向侧面溢出。

特写暗条的无线电图像。最左边的暗条来自外星系。它的长度为100千秒差距，超过了银河系其他三根暗条，长度分别为28秒差距、12秒差距和6秒差距。（Credit: Rudnick and collaborators, 2022）

通过射电望远镜的长期观测，扎德发现神秘的磁性暗条由宇宙射线电子组成，这些电子沿着磁场以接近光速的速度旋转。现在，尽管扎德解开了磁性暗条是由什么制成的谜题，但他仍然想知道它的起源。事实上，每当天文学家在我们自己的星系外发现了一个新的群体时，它就提供了潜在的研究暗条空间物理的新机会！

这个新发现的磁性暗条位于一个由数千个星系组成，距离地球10亿光年的星系团内。星团内的一些星系是活跃的射电星系（射电星系被认为是大规模磁性暗条的温床）。当扎德第一次看到这些新发现的磁性暗条时，他感到非常惊讶：“在我们自己的银河中心研究了这些年的暗条之后，在其他星系看到这些极其美丽的结构，我非常兴奋。因为这次我们在宇宙的其他地方也发现了这些暗条，这暗示着这是宇宙中的普遍现象。”

暗条的惊人长度：银河系的四到五倍大！

尽管新的暗条群体看起来与银河系中的暗条十分相似，他们有一些关键的区别。比如，银河系外的暗条要比银河系内的暗条长100到10000倍。它们的“年龄”也大得多，磁场也较弱。它们中的大多数奇怪地以90度角从黑洞的喷流中悬挂到星系团内介质中，或是星系团内星系之间的空间中。

但新发现的暗条群和银河系的暗条的长宽比相同。这两个群似乎都通过相同的机制输送能量。离喷流更近的地方，暗条的电子能量更高。当它们沿着暗条行进得更远时，它们就会逐渐失去能量。尽管黑洞的喷流可能会提供产生暗条所需的粒子，但一定有某种未知的力量在在加速这些粒子。

扎德说：“其中一些暗条具有惊人的长度，高达200千秒差距。这大约是我们整个银河系的四到五倍大！值得注意的是，它们的电子在如此长的范围内保持在一起。如果一个电子以光速沿着暗条的长度移动，那么需要用上70万年！（而且它们不会以光速移动）。”

暗条和大宇宙

在最新发表的论文中，扎德和团队假设暗条的起源可能是星系风和障碍物（如星际云）之间的简单相互作用。当星系风绕过类似的障碍物时，它会在障碍物后面形成一条类似“彗星”一样的尾巴。

最大的尺度上，宇宙中的物质就好像被排列在一个由气体暗条组成的宇宙网中，气体暗条被空隙隔开，又在簇中相遇。（Credit: MAGNETICUM simulation.）

扎德解释道：“星系风来自星系自转时自身的运动。这就像你把手从一辆正在行驶的汽车上伸出窗外。外面没有风，但你感觉到空气在移动。当星系移动时，它会产生星系风，可能会穿过宇宙射线粒子相当松散的地方。它会扫过物质，形成丝状结构，也就是我们说的暗条。”

同时，扎德模型提供了另一种可能性。当研究人员模拟一个活跃的、湍流的介质时，就会产生长的暗条结构。扎德解释说，当射电星系四处移动时，引力会影响介质并搅动它。然后，介质形成漩涡点。在弱磁场缠绕这些涡流后，它会被拉伸、折叠和放大，最终变成具有强磁场的细长暗条。

“我们银河系外的所有这些磁性暗条都非常古老，它们几乎来自我们宇宙的另一个时代，但却向银河系居民咱们发出信号，暗条的形成可能真的有着共同的起源！”

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来源：牧夫天文

编辑：圆周π小姐