超新星“吹泡泡”解开星系湍流之谜

　　仙女座星系中原子氢气的分布图。清华大学供图

　　■本报记者 陈彬 崔雪芹

　　人们常用“星海”形容星空的浩瀚，事实上宇宙与海洋的确有很多相似之处。其中一点便是遍布宇宙空间的星际气体和尘埃一直在不断翻涌、涡旋、扰动，如同海洋中永不停歇的湍流。这种现象被称为星系内的“湍流”。

　　然而，海水湍流的动力来自于不同区域间的冷热差，那么星系湍流的动力来源又是什么呢？

　　“星际湍流是星系内气体的无规则杂乱运动，这种运动会不断耗散能量。”清华大学天文系教授李菂在接受《中国科学报》采访时表示，根据天文模拟，即便存在强磁场加持，星系气体湍流也会在千万年内因能量损失而停止。然而，星系演化时长动辄数十亿年，湍流却始终存在，这意味着必然有某种持续不断的能量补给机制。但这种机制究竟是什么，人们至今没有弄清楚。

　　9月17日，李菂团队牵头完成的一项成果在线发表于《自然-天文学》。该研究有望通过对宇宙另一个与海洋类似的现象——超泡的研究，解开星系“湍流”的动力机制之谜。

　　本不相干的研究

　　就像大海一样，宇宙也是有“泡泡”的。

　　1979年，美国天文学家卡尔·海尔斯在银河系中性氢巡天的图像中辨认出了数十个壳层结构。这些壳层就像一个个由星际气体和尘埃组成的巨大“泡泡”，每个“泡泡”的直径都有数百甚至上千光年，其中一些还在膨胀。

　　“这表明，这些星际气体曾被注入了巨大能量，这些能量最终被证实来自超新星爆发。”李菂说。

　　超新星爆发是大质量恒星在生命末期，由于内部核聚变能量减弱无力支撑外部物质的巨大引力，外层物质急剧向核心坍缩，引发剧烈爆发。李菂表示，这种爆发能在数千万年中推动周围气体形成巨大的空腔与膨胀壳层，即所谓“超泡”。

　　目前，人类对于超泡的研究已经持续了半个世纪。而在超泡现象被发现之前，湍流思想就已被引入星际空间。长期以来，这两项研究相互独立，并无太多交集。这种情况一直持续到上世纪末，人们开始探索湍流的能量补给机制，而能够“炸”出超泡的超新星爆发，成为了主要“嫌疑对象”。

　　“超新星爆发无疑能提供巨大能量，但能量大并不等于能长期维持气体的运动。”李菂告诉记者，过去的研究大多依靠恒星形成率，间接推算出超新星释放的总能量，再假设一个能量转化比例。但这种方式很难衡量有多少能量真正传递给星际气体。望远镜也无法连续追踪数千万年的演化全过程，想要直接检验，就需要从当下观测到的气体结构中同时获取“实际输入动能”“能量持续作用时长”这两组关键信息。

　　超泡研究恰好能同时提供这两组信息。

　　“超泡的壳层就是受到恒星活动推动的星际气体，其尺度、膨胀速度和环境密度都能用于估算实际传入气体的动能，结合膨胀时间，便可求得长期平均的输入速率。”论文第一作者、清华大学天文系博士后孟繁一表示。

　　由此，超泡与湍流的研究线索便被联系起来。

　　高度吻合的数据

　　要打通超泡和湍流研究，合适的观测对象与观测设备缺一不可。

　　在观测对象上，距离地球约250万光年的仙女座星系成为最优选择。作为距离银河系最近的大型旋涡星系，它既能够分辨千光年尺度的巨型气体结构，又能让人类完整俯瞰整个星系盘，摆脱了身处银河系内部的“不识庐山真面目”的观测困境。

　　即便如此，要捕捉这些结构也不容易。特别是那些演化到晚期的超泡，经过千万年膨胀，与周围空间的对比度已大幅降低。观测既需要极高灵敏度的天文望远镜捕捉弥散的大尺度气体，又需要设备分辨壳层的精细空间结构。

　　这一观测要求难以通过单台望远镜的独立观测来实现。研究团队将中国天眼（FAST）对大尺度弥散气体的灵敏测量，与美国卡尔·央斯基甚大阵列（JVLA）对精细结构的分辨能力结合起来，并将两组观测数据进行有机融合。由此，他们得到了人类针对大型旋涡星系最为完备的中性氢气体全景数据集。

　　“中性氢可以简单理解为原子氢，在数千到数万光年的尺度下，它是宇宙物质的绝对主体。”孟繁一说。

　　在这些数据的基础上，团队依托气体壳层形态、膨胀运动学特征，最终在距离地球约250万光年的仙女座星系找到了118个中性氢超泡，其中最古老的超泡膨胀时间已经达到约4000万年，恰好对应了星团内部成批超新星持续爆发的理论时间上限。“这也说明本次采样覆盖了超泡从诞生到消散的完整生命周期。”孟繁一说。

　　有了这些研究对象，研究团队利用超泡的尺度、膨胀速度、环境密度等参数，计算出过去数千万年间，超新星通过超泡向星际介质输入的平均动能功率；再剥离星系旋转、热运动等干扰因素，独立计算出星系不同位置湍流的能量耗散速率。

　　对比结果令人振奋：超泡带来的能量输入不仅和湍流耗散的数值大体相当，两者到星系中心距离变化的趋势也高度吻合。

　　“这意味着，仅仅依靠星团中大量超新星爆发形成的超泡，便足以抵消仙女座星系中性氢湍流的能量消耗。”李菂表示。这一结论长期停留在人们的猜测或间接估算层面，此次发现提供了直接的定量观测支持。

　　需要指出的是，此次发现并不代表超新星爆发是湍流动力的唯一来源。事实上，包括星系引力搅动等在内的其他机制也可以贡献部分能量，但从观测数据来看，即便存在其他能量渠道，其贡献也不会占据主导地位。

　　宇宙尺度的图景

　　受访中，李菂向记者描绘了这样一幅演化图景：大质量恒星死亡发生超新星爆发，吹出跨越数百上千光年的超泡，向星际介质注入能量，维持星系尺度湍流；湍流又会挤压、搅动气体，一方面促成气体聚集催生新一代恒星，另一方面打散云团，抑制恒星形成，从而调控星系内部恒星诞生的快慢节奏。

　　“恒星塑造了超泡，超泡的运动又使恒星对星系的长期影响能够被检验到。”李菂表示，该研究为理解恒星反馈如何影响星系演化提供了依据，并有助于进一步确定超新星反馈的作用，及其如何影响后续的恒星形成。

　　“值得一提的是，太阳系本就处在一个被称为‘本地泡’的巨型气泡内，学界推测它同样来自远古多次超新星爆发。”李菂表示，读懂仙女座超泡对湍流的影响，还能帮助我们间接理解银河系的环境演化，了解塑造太阳系周边空间环境的远古事件。

　　“天体物理中的湍流研究，很多时候局限于现有的描述性分析。我们希望借助大尺度星系观测，直面湍流能量注入与传递等底层的物理问题。”李菂说。宇宙总是会给灵敏的望远镜带来超出预想的发现，而一次次的观测与求证，正在帮助人类一步步揭开恒星与星系之间环环相扣的演化故事。

　　相关论文信息：

　　https://doi.org/10.1038/s41550-026-02981-9

　　《中国科学报》 (2026-09-21 第1版 要闻)