本地泡與本地通道

□ 張 博

本地泡與本地通道

□ 張 博

氣體、塵埃和新生恒星交織在一起的獵戶星云。圖片來源：APOD

銀河系中不但擁有大量恒星系統(tǒng)，而且還四處散布著星際介質(zhì)。這些由氣體與塵埃組成的物質(zhì)甚為稀疏，平均每立方厘米只有0.5個原子左右（作為對比，實驗室所能達到的最高等級真空，其原子數(shù)密度也至少要上百倍于此），但總數(shù)卻不容小覷，質(zhì)量上占據(jù)了整個星系的10%。星際介質(zhì)的分布并不均勻，在較大尺度上明顯相對旋臂集中；就算在旋臂之內(nèi)，也是濃密的分子云與密度遠較四周為低的泡狀空腔交錯排布。前者如眾所周知的獵戶星云等產(chǎn)星區(qū)，新生恒星正從其中噴薄而出；而本文的主角--太陽所處的本地泡（Local Bubble）--則是后一種情形的最好實例。

本地泡的現(xiàn)身要追溯到射電天文學誕生之初的20世紀中期。在電磁波譜最長端做出第一批重要發(fā)現(xiàn)的就包括氫原子的21厘米譜線；當年的射電天文學先驅(qū)借由21厘米線輻射強度的變化，初步判定出河內(nèi)的中性氫密度存在漲落。20世紀70年代，軌道天文臺3號（OSO-3，又名哥白尼衛(wèi)星）通過紫外觀測證明，星際空間遍布低密度的高溫泡狀結(jié)構(gòu)（也就是超泡），彼此以管狀通道相連，外圍則包裹以高密度的低溫氣體壁，整體造型可類比為海綿或蟻穴。而當下太陽也位于一個超泡（本地泡）的中心。

本地泡位置與形狀的藝術(shù)概念圖。圖片提供：NASA CHIPS

本地泡與太陽周邊的星際物質(zhì)分布示意圖，其中橙色表示產(chǎn)星區(qū)，淺紫色的絲縷對應(yīng)后文要提到的本星際云，以高溫電離氣體組成的古姆星云則以綠色表示。圖片提供：Linda Huff (American Scientist), Priscilla Frisch (U. Chicago)S

根據(jù)早先的估計，本地泡寬度介于330到490光年不等，距離太陽系最近的泡壁屹立在銀心方向的175到190光年以外。泡內(nèi)的中性氫原子數(shù)密度約合每立方厘米0.05個，只及銀河系平均值的十分之一，其相對銀盤的比值還要更低?？瓷先ミ@個超泡目前正與另一個龐大的低密度泡——一號圈（Loop I）發(fā)生著相互作用，二者經(jīng)由豺狼座的“隧道”相連。寬約700光年、中心點距離地球約400光年的一號圈堪稱全天最大的相干結(jié)構(gòu)，跨越100余度的天區(qū)，其X射線和射電信號均清晰可見，著名的紅巨星——天蝎座的心宿二就身居其內(nèi)。

這種超泡的形成與大質(zhì)量恒星，尤其是大型OB星協(xié)的演化關(guān)系密切。星協(xié)是同批次形成的恒星集合體，其中的成員星有著共同的年齡、速度和運動方向，但之間的引力束縛微弱，隨著時間的推移會逐漸分散開來，所以與星團有所區(qū)別。OB星協(xié)往往含有數(shù)十至上百顆年輕的O或B型星，這些明亮又熾熱的大塊頭在很大程度上塑造了整個系統(tǒng)的外形：一方面，當大質(zhì)量恒星作為超新星結(jié)束生命之時會掀起強勁的激波，將星周介質(zhì)推擠開來；另一方面，此類恒星在一生之中吹出的星風總動能也可達1051爾格，堪與超新星爆發(fā)釋放的能量比肩，因此有能力先期就清空一部分原有的星際物質(zhì)。在長期遭受大量短壽亮星這般轟擊之后，OB星協(xié)的常態(tài)就是生長出了涵蓋方圓數(shù)十光年乃至更大體積、包裹全體成員星的超泡，其外邊界是被掃過后又冷卻凝集的星際氣體殼，內(nèi)里則充斥著被星風或超新星激波加熱的稀薄物質(zhì)，溫度可達百萬度的量級。

倫琴X射線衛(wèi)星眼中的一號圈，其中的北銀極支（North Polar S pur）是整個圈環(huán)上最明亮的部分，其起因很可能與天蝎-半人馬星協(xié)中百萬年前的一起超新星事件有關(guān)。圖片提供：ROSAT, MPI, ESA, NASA

大麥哲倫云中的黑尼策（Henize）70超泡（又稱N70），寬約300光年。圖片提供：ESO

像上圖中的黑尼策70這樣外觀還算渾圓，且外輪廓仍舊發(fā)光的超泡一般年紀較輕。但要測繪更為古老的本地泡就沒有那么容易了。這個大致形成于一二百萬年前超新星事件及星風作用的超泡（本地泡），其現(xiàn)今的外形嚴重偏離了完美的球殼不說，邊緣處由電離原子激發(fā)出的可見光輻射也早已消退殆盡。直接觀測的話，只能借助殼層發(fā)出的中性氫譜線或是泡內(nèi)高溫物質(zhì)的軟X射線與極紫外輻射一覓泡體的影蹤。鑒于軟X射線與極紫外光子極易被星際氣體吸收殆盡，故而天空中若出現(xiàn)了相應(yīng)波段的較強輝光，它們理應(yīng)源自近域宇宙。本地泡的存在能夠從兩個方面解釋軟X射線/極紫外線彌漫背景輻射的成因：一來泡中熱氣體自身就能發(fā)光；二來太陽身居星際介質(zhì)密度極低的泡內(nèi)，周圍不具備足夠的吸收體，所以允許我們接收到這種輻射。在2003年到2008年間工作的星際熱等離子體光譜衛(wèi)星（CHIPS）就以此全面而又系統(tǒng)地考察了鄰近熱氣體的溫度、電離與冷卻機制，為本地泡的相關(guān)探討提供了重要線索；后來的探空火箭實驗還進一步證明，雖然發(fā)生在太陽系內(nèi)的某些過程，如彗星與太陽風的相互作用也會貢獻一些軟X射線流量，但為了湊足所見的背景光強度，本地泡還是必需的。

探索本地泡內(nèi)熱氣體輻射的C HIP S衛(wèi)星。圖片提供：NASA

另一種間接方法就是拍攝大量不同距離上的恒星光譜（一般以選擇易于特定吸收線探測的藍白色B或A型恒星為宜），利用其中的吸收線強度來測量中性氣體（如鈉）在不同方向上的分布。天文學家據(jù)此標定出了大量鈉原子集中其上的致密中性泡壁，還發(fā)現(xiàn)了大犬座軍市一（大犬β）方向上綿延將近1000光年的中性氣體匱乏區(qū)，這意味著本地泡的覆蓋范圍以及外觀的不對稱程度可能超出了最初的預(yù)期。此外，對鈉譜線多普勒效應(yīng)的調(diào)研也能標定泡壁物質(zhì)運動方向的信息。但高銀緯恒星的數(shù)量本來就比較少，光譜觀測法的應(yīng)用有些受限，難以給出這個超泡的全貌。

同時，20世紀90年代的軟X射線造影分析也表明，本地泡中應(yīng)當存在穿透銀盤，一直延伸到銀暈之中的熱氣體分支。這一結(jié)論與恒星光譜吸收線普查相符，暗示本地泡貌似只是更長的筒狀“本地通道”（Local Chimney）的一小部分而已。而極紫外探測器（EUVE）在同期進行的巡天更憑借大批極紫外源（尤其是河外極紫外源）在天球上的聚集現(xiàn)象，為本地通道提供了很好的證據(jù)——考慮到密度稍高的星際中性氫云就足以阻隔極紫外線的傳播，這些遠距離天體的發(fā)現(xiàn)實屬意外。這只能說明相應(yīng)的視線方向上缺乏吸收介質(zhì)，從而允許極紫外光子幾乎不受阻擋地從中通過。EUVE公布的20余個河外源大抵來自高銀緯處，所在天區(qū)則由本地泡的中性氣體壁勾勒。這有力地論證了泡狀結(jié)構(gòu)實則具有開放式的末端，一直通向河外空間的說法。

EUVE觀測到的極紫外輻射源在銀道坐標系中的分布，圖中以粉色數(shù)據(jù)點表示河外源，可見它們在南北銀極聚集成團，又以北天為多。圖片提供：MAST/STScI

這還不算完。本地通道本身的形態(tài)也談不上不規(guī)則。在它由致密氣體組成的側(cè)壁上，眾多大大小小的分支伸展開去，也許最終與銀河系中的其他泡狀空腔或管道聯(lián)結(jié)了起來。這樣的構(gòu)造據(jù)信可以由一系列的超新星爆發(fā)形成，從概念上看其實一點也不新鮮，其梗概早在40多年前即已被理論家提出。大體說來，這個過程首先要由各次超新星爆發(fā)分別拋出高速膨脹的熱氣體泡，并與星際介質(zhì)相互作用產(chǎn)生經(jīng)典的殼層式超新星遺跡；隨后相鄰的殼層持續(xù)膨脹并相互碰撞，進而瓦解破碎成了一系列彼此通過管道相連的空腔，讓整個區(qū)域變得愈發(fā)復(fù)雜。

極紫外探測器全天圖。E UV E發(fā)射于1992年，這張假彩色的全天圖就是根據(jù)其前6個月的觀測數(shù)據(jù)繪制出來的（圖中上方為北）。圖片來源：APOD

本地通道這種通過超新星生成的結(jié)構(gòu)在其他星系中倒也曾有所目睹。激烈的星體爆發(fā)有能力完全刺穿星系盤上的星際介質(zhì)，并將高溫氣體拋入星系冕內(nèi)，最終驅(qū)動冕中的噴流，讓物質(zhì)再度冷卻，重新落回星系盤內(nèi)。遠紫外空間探測器（FUSE）就曾經(jīng)找到過涌向太陽的熱氣體，它們可能正是來自回落的銀道噴流。所以本地通道不僅為人們打開了河外極紫外觀測的窗口，還讓銀盤與銀暈中的成分聯(lián)系到了一起，在銀河系的整體物質(zhì)循環(huán)中扮演了舉足輕重的角色。

此等星系全局性事件自然不會局限在太陽周邊發(fā)生，因此本地通道或許只是銀河系活躍生態(tài)的一個縮影，類似的空腔和通道網(wǎng)絡(luò)遍布銀盤。事實上鄰近區(qū)域也的確具備物質(zhì)匱乏的星際介質(zhì)洞穴，連帶讓不同泡體互通有無的空管。比如御夫-英仙、天蝎-半人馬、豺狼-矩尺等富含低密度電離氣體的年輕星協(xié)都經(jīng)由切過致密物質(zhì)的指狀管路同旁邊的一處空腔相連。隨著觀測的深入與靈敏度的提升，未來我們應(yīng)該有條件給出較大范圍內(nèi)的星際介質(zhì)分布詳圖，并查明更多與本地泡/本地通道類似的構(gòu)造。

本地低密度通道的分布圖，這條管狀結(jié)構(gòu)從太陽附近的銀盤區(qū)域一直延伸到上方的銀暈中。圖中白色表示低密度高溫氣體，而深色表示致密冷氣體的集中區(qū)。圖片提供：U.C. Berkeley, CNRS

銀盤上的超新星爆發(fā)打開銀暈通道，并驅(qū)動銀道噴流的示意圖。圖片提供：FIMS, Space Science Lab, NASA

再回到本地泡內(nèi)部。雖說這里的中性氣體分布總體上非常稀疏，但也并非不存在起伏。比如當下就有一團比較致密（比銀河系平均水平略低，但還是相當于本地泡本身的若干倍）且溫度相對為低（1萬開爾文左右）的磁化星際氣體云正從天蝎-半人馬星協(xié)朝向太陽系飛來（或者說太陽系正從其中穿過），并經(jīng)過對鄰近恒星特定波長輻射的吸收效應(yīng)而顯露出了蹤跡。這團氫云的名稱是“本地絨毛”（Local Fluff）或本星際云（Local Interstellar Cloud），大概就是一號圈與本地泡之外的另一片致密分子云——天鷹座暗隙相互作用的產(chǎn)物。

對于地球來說，本地泡/本地通道的最大作用在于有效屏蔽了對生命構(gòu)成威脅的宇宙線與氣體流——在來自深空的高能粒子接近太陽風的領(lǐng)地并被后者攔截之前，它們已經(jīng)被泡壁先期篩選過了一次。而同本星際云的相互作用或許也會為地球帶來顯著的影響，這是因為較致密的氣體云可能會在一定程度上抑制太陽風的強度，并讓更多的粒子來到地球近旁，進而影響全球氣候。實際上，歷史上的若干次氣候巨變沒準就與太陽系穿越該云團的某些部分有關(guān)。如果能夠以更高的精度解析本地泡之內(nèi)的不同細節(jié)，說不定還能為古氣候?qū)W帶來重要的線索，這稱得上是很有意思的跨學科研究課題了。

本地絨毛（或本星際云）。圖中勾勒出了距離我們20光年內(nèi)的星際物質(zhì)分布位置，具體數(shù)據(jù)來自星際邊界探測者（Interstellar Boundary Explorer，簡稱IBEX）的觀測。這些數(shù)據(jù)表明，我們的太陽在本星際云中穿行，而這團云氣來自天蝎-半人馬星協(xié)的恒星形成區(qū)。目前我們對本星際云所知不多，對于其起源以及如何影響太陽、地球等細節(jié)都有待進一步研究。圖片來源：APOD

假設(shè)本地泡/本地通道是由一兩百萬年前的超新星吹出的，相應(yīng)的超新星又在哪里？早年的觀點認為，它正是雙子座伽瑪射線脈沖星杰敏卡（Geminga）前身天體的大爆發(fā)。但現(xiàn)在看來，既然太陽附近的年輕恒星有不少都列處本地通道的邊界，其中最年輕的那些又與正朝本地泡疾馳而來的昴星團B1子群成協(xié)，所以有學者認為，這群恒星中最大最明亮的那些早已作為超新星爆發(fā)殆盡，它們也許正是在致密星際介質(zhì)中掘開空腔，并創(chuàng)生出本地泡/本地通道的元兇。而超新星爆發(fā)過程中射出的激波又壓縮了周圍的氣體，誘發(fā)了新一代的產(chǎn)星活動，于是星團中的星光變得更為燦爛。

本星際云與太陽相對運動的示意圖。圖片提供：Linda Huff (American Scientist), Priscilla Frisch (U. Chicago)

更進一步的模擬研究表明，過去1300萬年間，300光年之外16起逐次發(fā)生的超新星即可雕琢出類似本地泡的空洞，而與這批超新星同期誕生的小質(zhì)量幸存者在經(jīng)歷多年的飛馳之后現(xiàn)已匯入天蝎-半人馬星協(xié)。再結(jié)合對海底鐵-60沉積物（這一同位素幾乎只會產(chǎn)生于超新星爆發(fā)）的調(diào)查，基本可以將最近兩次超新星爆發(fā)的時間分別敲定在230萬和150萬年前。這期間在地球上，人類的先祖才剛剛走下樹梢。不過當時哪怕最原始的文化也還沒有問世，文字的發(fā)明更是尚待時日。不知那些新進化出的直立人是否注意到了空中的客星異象，并由此生起了最早的好奇心？