谁在驱动星系湍流？清华团队在仙女座找到118个“超级气泡”

“在距离银河系最近的仙女座星系中，我们找到了118个超新星爆炸形成的超级气泡，经过测量，在星系的每一个位置，超级气泡注入的能量都跟湍流的耗散率完美契合……”天文学家、清华大学讲席教授、天文系主任李菂说道。

在距地球约250万光年的仙女座星系（M31）中确认118个中性氢超级气泡，并首次直接证明：超新星爆炸通过超级气泡注入的能量，足以驱动并维持星系尺度的湍流。

新京报记者获悉，上述相关研究成果以“Supernova origin of galactic turbulence revealed by superbubbles”为题，于2026年9月17日在线发表于《自然·天文》（Nature Astronomy）。这一成果得以使人类能够更好地理解星系的形态和演化。

“从事天文研究和参与中国天眼工作的经验告诉我，宇宙的丰富多彩从未让观测者失望。只要看得更深，就能看到人类此前未曾想象的东西。”作为论文通讯作者，李菂说道。

中国天眼发现仙女座超大气泡揭示星系湍流起源。清华大学供图

星系湍流能量来源困扰科学界

20世纪以来，星系研究逐渐成为天文学主流。

作为20世纪早期最重要的天文学家之一，哈勃对星系进行分类，并发现宇宙是整体膨胀的。星系中恒星与行星之间，存在大量气体和尘埃，统称星际介质。星际介质继续演化，会孕育下一代恒星，并可能改变星系形态。

“在星系尺度上，引力、磁场和湍流被认为是三类关键物理因素，但它们在星系演化中的具体作用仍是难题。”李菂介绍。

其中，湍流尤其复杂。据介绍，这些延展数百乃至上千光年的结构，表明星际气体曾受到巨大的能量注入。其所需能量甚至难以由单次超新星爆炸解释。

“因为能量是不可能永远维持在那儿的，而是以一定的速率耗散掉。”因此，星系尺度湍流在大尺度上的能量来源，由此成为此后数十年持续研究的问题。

大尺度湍流究竟靠什么搅动？长期以来，学界提出多种猜测和理论分析：引力、超新星爆炸，甚至黑洞活动？

李菂解释，在恒星的演化中，超新星爆炸是造出能量最为剧烈、最为耀眼的一种形式，可以在非常短的时间内释放巨大的能量。

1979年，美国加州大学伯克利分校海勒斯教授利用26米射电望远镜，在银河系中首次发现千光年尺度的超级气泡，认为它们由历史上的超新星爆炸推动星际介质向外膨胀形成。2004年，有科学家提出，超新星很可能在星系恒星形成中发挥主要作用。

然而，爆炸足够强大，并不直接等于它能长期维持气体运动。

而此次刚刚发表的研究成果，首次直接证明：超新星爆炸的能量注入足以在局域尺度推动形成超级气泡，并进而驱动整个星系尺度的湍流。

该研究由清华大学天文系李菂团队牵头，联合中国科学院国家天文台及国内外单位合作者完成，清华大学博士后孟繁一与李菂共同构思并推进研究。

中国天眼有助于发现“老”气泡

“我们通过中国天眼，获取了人类有史以来对于大的漩涡星系从星系尺度上最为精细的一张气体图像。”李菂介绍，由清华大学校友南仁东推动建设的中国天眼 FAST，于2020年正式运行，凭借更高灵敏度，使团队能够看得更远、更细。

这张图像是后续一切研究工作的基础。团队选择了距离地球约250万光年的仙女座星系（M31）。“它既足够近，可以分辨大型超泡，又能从外部观测整个星系盘。”

“能够看见在离我们最近的漩涡星系中，万光年尺度的由超新星爆炸吹起来的非常大的气泡。”团队介绍，“中国天眼”FAST与美国卡尔·央斯基甚大阵列（JVLA）的联合观测，使演化晚期、膨胀缓慢的超泡得以被识别。团队结合壳层形态和膨胀的运动学证据，确认118个中性氢超泡，其膨胀时间可达约4000万年。

孟繁一介绍，中国天眼的优势在于，它能看到特别“老”的气泡，因为“老”气泡它会逐渐弥散、融入周围的环境，对比度会降低，因此非常需要中国天眼这样特别灵敏的设备才能看到。

在这个过程中，孟繁一主导了关键数据分析，建立超泡观测与湍流能量需求之间的定量联系。“通过组合不同频率通道，即不同运动速度的气体信号，我们得到了正在膨胀的超级气泡特征，并借助完整动力学分析和三维建模，形成具有物理意义的三维图像。”

团队把每一个超级气泡的尺度与动力学信息，与星系湍流进行比较。分析图像显示，在不同距星系中心距离上，气泡向星系注入能量的功率都与基于数据推算的湍流耗散率高度吻合。研究显示，这118个超级气泡大约对应过去4000万年里仙女座星系中出现的数千次超新星爆炸。这些爆炸在数千万年时间尺度上的总功率，完全可以与观测到的星系湍流耗散相抗衡。

“我们生活在银河系中，无法飞到银河系上空看清家园全貌，但可以仔细研究近邻仙女座星系。通过理解邻居正在经历的过程，天文学家能够更好地理解银河系自身，乃至地球和生命的演化。”李菂表示，理解自身银河家园，有助于理解地球环境演化，以及人类文明所处世界的过去、现在和未来。

新京报记者冯琪

编辑 缪晨霞 校对 赵琳