仙女座118个“泡泡”何以搅动星系湍流？

中青报·中青网记者 杨洁

在距地球250万光年的仙女座星系，多颗大质量恒星的超新星爆发。这股能量把周围的星际气体向外推挤，吹出一个缓缓膨胀的“气泡”。一个、两个、成百上千个……这些气泡搅动着星系里原本平静的气体，掀起绵延数千万年的湍流；而湍流又促使气体重新聚集，孕育出下一代的恒星、行星，乃至生命。

这是一个生生不息的循环，是星际演化、天体更迭乃至生命诞生的物质能量循环。

前不久，清华大学讲席教授、天文系主任李菂团队牵头的国际合作研究成果在线发表于《自然·天文》（Nature Astronomy）。研究依托中国天眼FAST与“美国天眼”——卡尔·央斯基甚大阵列（JVLA）联合观测，在距地球250万光年的仙女座星系（M31）中确认了118个中性氢超泡，其膨胀时间可达约4000万年。这是全球首次通过直接观测，定量证明星团中的连续超新星爆发足以维持星系尺度的星际气体湍流，填补了国际天文领域长期以来的观测证据空白。

“宇宙的丰富多彩从来没有让观测者失望，只要你看得深一点，就能看到人类没有想象到的东西。”李菂说。

超新星为何会“吹泡泡”

仙女座星系（M31）是距地球最近的类银河系漩涡星系。大质量恒星的生命终局是一场剧烈的超新星爆炸。爆炸能量推动星际气体和尘埃向外膨胀，经过千万年，形成一个巨大的空腔结构，天文学家称之为“超级气泡”(Superbubble)。单个超级气泡的尺度可达几千光年。

“超新星爆炸就是恒星死亡的‘烟花’。”李菂形容道。

1979年，美国加州大学伯克利分校的海勒斯教授利用一台26米射电望远镜，在银河系内发现了千光年尺度的超级气泡。但此后近半个世纪，要系统性地识别和测量河外星系中的超级气泡，始终受限于望远镜的灵敏度。那些年老的气泡与背景介质的对比度极低，如同在黑暗中辨认一层薄雾。

中国天眼FAST能捕捉到那些极微弱的、年老的超级气泡信号。与此同时，“美国天眼”JVLA则提供了高空间分辨率的精细数据，能看到星系局部的结构细节。清华大学天文系博士后孟繁一将两台设备的数据结合，由此得到人类有史以来针对银河系级漩涡星系最高精度的中性氢气体全景观测图。

在这张图上，清华大学团队识别出118个超级气泡。每一个气泡，由数个到上百个超新星爆炸共同吹成。118个气泡，对应过去约4000万年内仙女座星系中发生的数千次超新星爆炸。通过射电观测获取的速度信息和三维建模，团队确认这些气泡的最大膨胀时间约为4000万年，与学界此前关于星团超新星爆发持续时长的理论预言吻合。

这个样本描绘了超泡从“诞生”到即将融入星际介质的生命周期，是仙女座星系首个全维度完整超泡数据库。

谁在驱动星际湍流？

星系里看似空荡荡的空间，其实弥漫着星际气体，它们四处涌动、随机翻滚，形成星系尺度的湍流。湍流会不断损耗能量，就像水里的波纹会慢慢平息。

按照计算，星系气体中湍流的能量大约千万年就会耗散殆尽。可星系的演化跨越数十亿年，要让湍流长久存在，就必须有一个稳定的能量源。

这个能量源到底是什么？这是悬在学界头上近半个世纪的难题。

1941年，苏联科学家柯尔莫哥洛夫提出了描述湍流的标度定律：能量从大尺度注入，逐级传递到更小的尺度，最终耗散掉。这套理论能很好地描述漩涡的变化性质，却回答不了一个问题——在最宏观的尺度上，能量究竟从何而来？

目前学界主要有两种思路。一种“由大到小”：星系里看得见的物质，加上看不见的暗物质，其重力（以及星系旋转带来的剪切作用）在大尺度上搅动气体；另一种“由小到大”：恒星虽小，但大质量恒星死亡时的超新星爆炸，是宇宙中最耀眼、最剧烈的能量释放方式之一。

但过去的研究大多依赖间接估算来验证假设。

李菂团队的突破，第一次靠直接观测，把“超新星能否维持星系湍流”的长期争论变成了一道可以定量检验的物理题。

他们利用观测到的气体结构，测出每一个超泡的尺度、膨胀速度和周围气体的密度，据此算出真正传入气体的动能和能量输入的持续时间，得到超泡的平均能量输入速率；同时考虑湍流的速度和星系盘厚度，估算出湍流的耗散速率。结果两者不仅数值相当，随星系半径变化的趋势也高度吻合。

这意味着，星团里接连发生的超新星爆炸，通过一个个超泡，输入的能量足以补偿湍流的耗散。

虽然研究并未排除重力等其他能量路径的贡献，李菂解释，超新星爆炸至少是能量来源里最重要的一支。

恒星的一生

如果把镜头拉远，这场关于“泡泡”的发现，其实指向一个更动人的图景——恒星的一生。

李菂用一段话描述了这个循环：宇宙最初只有原子氢气体，它们聚合成分子，作为冷却剂将能量辐射出去，让稀薄的气体不断聚集，最终点燃核聚变，诞生恒星；小质量的恒星老去后变成白矮星，大质量的恒星则以超新星爆炸收场，把巨大能量、重元素和全新的尘埃抛回星际介质。一边吹散、搅动宇宙气体，一边为下一代恒星、行星的诞生备好原料，如此周而复始。

“我们都是星辰。”李菂说，这并非一句诗意的感慨，而是天文事实。构成我们身体的重元素，正是在这样的恒星生死循环中被锻造出来。

这几乎是地球生态圈物质能量循环的宇宙版：正如地球上的碳循环、水循环不断将旧物质转化为孕育新生命的原料，星际空间中的循环，也在一遍遍地“回收”，让恒星的死亡成为下一代天体乃至生命诞生的原料。

“地球实际上生活在一个所谓的本地气泡里。”李菂提到，“它充满了百万度的电子，因受太阳风的保护，人类在地球上无法感知。这个本地气泡或许是在过去几千万年里，数十次超新星爆炸所影响下形成的。”

换句话说，太阳系环境可能是远古超新星爆炸的“作品”。而地球上生命的起源和演化，与这个天体环境息息相关。

李菂提到，看清楚仙女座超新星爆炸的动力学后果，也就在帮人类理解自己“银河家园”的过去、现在与未来，乃至追溯地球生命演化的宇宙成因。

探索星辰大海的研究故事还在继续。团队计划将这套方法推广到更多星系，检验超新星驱动湍流是否具有普遍性。

李菂说：“宇宙里处处存在着，我们根本不能够理解，甚至不能够幻想，直到你看到它，你才知道它存在。”