Opdaget i 2010 stråler to store og mystiske Fermi-bobler ud fra vores Melkevejs galakse kerne. En opdatering fra de tre astrofysikere, der fandt dem.
Fermi-boblerne strækker sig fra vores galakses centrum. Fra ende til ende forlænger de 50.000 lysår, eller omtrent halvdelen af Mælkevejens diameter. Illustration via NASAs Goddard Space Flight Center
I 2010 opdagede forskere, der arbejdede ved Harvard – Smithsonian Center for Astrophysics, de mystiske Fermi-bobler, der strækker sig titusinder af lysår over og under vores Mælkevejs galakas disk. Disse enorme balloner med energiske gammastråler antyder en magtfuld begivenhed, der fandt sted i vores galakse for millioner af år siden, muligvis da det supermassive sorte hul i galakseens kerne festede på en enorm mængde gas og støv. I januar 2015 talte de tre astrofysikere, der opdagede Fermi-boblerne, med Kelen Tuttle fra The Kavli Foundation om igangværende forsøg på at forstå årsagen og implikationerne af disse uventede og mærkelige strukturer, samt måder, hvorpå de kan hjælpe i jagt på mørkt stof. Det følgende er et redigeret udskrift af deres rundbordsdiskussion.
DOUGLAS FINKBEINER er professor i astronomi og fysik ved Harvard University og medlem af Institute for Theory and Computation ved Harvard – Smithsonian Center for Astrophysics. TRACY SLATYER er adjunkt i fysik ved Massachusetts Institute of Technology og medlem af det tilknyttede fakultet ved MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. MENG SU er Pappalardo Fellow og Einstein Fellow ved Massachusetts Institute of Technology og MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.
KAVLI-FUNDATIONEN: Da jer tre opdagede Fermi-bobler i 2010, var de en komplet overraskelse. Ingen forventede eksistensen af sådanne strukturer. Hvad var dine første tanker, da du så disse enorme bobler - som spænder over mere end halvdelen af den synlige himmel - dukke op fra dataene?
Douglas Finkbeiner var en del af et samarbejde, der først opdagede en gammastråle 'dis' nær centrum af Mælkevejen.
DOUGLAS FINKBEINER: Hvad med at knuse skuffelse? Der ser ud til at være en populær misforståelse om, at forskere ved, hvad de leder efter, og når de finder det, ved de det. I virkeligheden er det ofte ikke sådan, det fungerer. I dette tilfælde var vi på jagt efter at finde mørkt stof, og vi fandt noget helt andet. Så først blev jeg forundret, forvirret, skuffet og forvirret.
Vi havde ledt efter bevis for mørkt stof i den indre galakse, som ville have vist sig som gammastråler. Og vi fandt et overskud af gammastråler, så i et stykke tid troede vi, at dette kunne være et mørkt materiesignal. Men da vi foretog en bedre analyse og tilføjede flere data, begyndte vi at se kanterne på denne struktur. Det lignede en stor figur 8 med en ballon over og under planet til galaksen. Mørk stof ville sandsynligvis ikke gøre det.
På det tidspunkt kom jeg med tungen-i-kind-kommentaren om, at vi havde dobbelt boble-problemer. I stedet for en dejlig sfærisk glorie, som vi ville se med mørkt stof, fandt vi disse to bobler.
Tracy Slatyer viste, at gammastrålen 'uklarhed' faktisk kommer fra to varme boble af plasma, der stammer fra det galaktiske centrum.
TRACY SLATYER: Jeg kaldte en tale om Fermi-boblerne “Double Bubble Trouble” - det har en sådan en dejlig ring.
Finkbeiner: Det gør det. Efter min første tanke - "Åh darn, det er ikke mørk materie" - var min anden tanke, "Åh, det er stadig noget meget interessant, så lad os nu finde ud af, hvad det er."
SLATYER: På det tidspunkt, Doug, fortalte du mig noget i retning af ”Videnskabelige opdagelser er oftere indvarslet af” Huh, det ser morsomt ud ”end af” Eureka! ”” Da vi først begyndte at se kanten af disse bobler dukke op, jeg husk at kigge på kortene med Doug, som pegede på, hvor han troede, at der var kanter, og overhovedet ikke se dem selv. Og så begyndte flere data at komme ind, og de blev klarere og klarere - skønt det kan have været Isaac Asimov, der sagde det først.
Så min første reaktion var mere som ”Huh, det ser virkelig mærkeligt ud.” Men jeg ville ikke kalde mig skuffet. Det var et puslespil, som vi var nødt til at finde ud af.
Finkbeiner: Måske forvirret er en bedre deskriptor end skuffet.
Meng Su udviklede de første kort, der viste den nøjagtige form af Fermi-boblerne.
MENG SU: Jeg er enig. Vi kendte allerede til andre boble-lignende strukturer i universet, men dette var stadig et ganske stort chok. At finde disse bobler i Mælkevejen var ikke forventet af nogen teorier. Da Doug først viste os billedet, hvor du kunne begynde at se boblerne, begyndte jeg straks at tænke over, hvad der muligvis kunne producere denne type struktur ud over mørkt stof. Jeg var personligt mindre forundret over selve strukturen og mere forundret over hvordan Mælkevejen kunne have produceret den.
SLATYER: Men selvfølgelig er det også sandt, at de strukturer, vi ser i andre galakser, aldrig er blevet set i gammastråler. Så vidt jeg ved, havde der aldrig været en forventning om, at Mælkevejen kunne lave en struktur som denne, aldrig forventet, at vi ville se et lyst signal i gammastråler.
SU: Det er rigtigt. Denne opdagelse er stadig unik og for mig straffende.
Tip om Fermi-boblernes kanter blev først observeret i røntgenstråler (blå) af ROSAT, der opererede i 1990'erne. Gamma-strålene, der er kortlagt af Fermi Gamma-ray-rumteleskopet (magenta), strækker sig langt længere fra galaksens plan. Billede via NASA's Goddard Space Flight Center
TKF: Hvorfor forventedes man ikke sådanne bobler i Mælkevejen, hvis de ses i andre galakser?
Finkbeiner: Det er et godt spørgsmål. På den ene side siger vi, at disse ikke er ualmindelige i andre galakser, mens vi på den anden side siger, at de var helt uventede i Mælkevejen. En af grundene til, at det var uventet, er, at mens hver galakse har et supermassivt sort hul i midten, i Mælkevejen, er det sorte hul omkring 4 millioner gange solens masse, mens vi i galakserne, hvor vi tidligere havde observeret bobler, de sorte huller har en tendens til at være 100 eller 1.000 gange mere massiv end vores sorte hul. Og fordi vi tror, det er det sorte hul, der suger til nærliggende stof, der får de fleste af disse bobler til, ville du ikke have forventet, at et lille sort hul som det, vi har i Mælkevejen, kunne være i stand til dette.
SU: Derfor forventede ingen at se bobler i vores galakse. Vi troede, at det sorte hul i midten af Mælkevejen var kedeligt, der bare sad der roligt. Men flere og flere beviser tyder på, at det var meget aktivt for længe siden. Det ser ud til, at vores sorte hul i fortiden kunne have været titusinder af millioner gange mere aktiv, end det er i øjeblikket. Før opdagelsen af Fermi-bobler diskuterede folk denne mulighed, men der var intet eneste bevis, der viste, at vores sorte hul kunne være så aktiv. Fermi-boble-opdagelsen ændrede billedet.
SLATYER: Nemlig. Andre galakser, der har strukturer med lignende udseende, er faktisk ganske forskellige galaktiske miljøer. Det er ikke klart, at bobler, vi ser i andre galakser med nogenlunde lignende former som dem, vi ser i Mælkevejen, nødvendigvis kommer fra de samme fysiske processer.
På grund af instrumenternes følsomhed har vi ingen måde at se på gammastrålerne, der er forbundet med disse bobler i andre Mælkevejen-lignende galakser - hvis de overhovedet frigiver gammastråler. Fermi-boblerne er virkelig vores første chance for at se på noget som dette tæt på og i gammastråler, og vi ved bare ikke, om mange af de meget forvirrende træk ved Fermi-boblerne findes i andre galakser. Det er ganske uklart i øjeblikket, i hvilken grad Fermi-boblerne er det samme fænomen som det, vi ser i lignende formede strukturer ved andre bølgelængder i andre galakser.
SU: Jeg synes, det er faktisk meget heldigt, at vores galakse har disse strukturer. Vi får se dem meget tydeligt og med stor følsomhed, så vi kan studere dem detaljeret.
SLATYER: Noget som dette kunne være til stede i andre galakser, og vi ville aldrig vide det.
SU: Ja - og det modsatte er også sandt. Det er fuldstændigt muligt, at Fermi-boblerne er fra noget, vi aldrig har set før.
Finkbeiner: Nemlig. Og for eksempel de røntgenstråler, vi ser, kommer fra bobler i andre galakser, disse fotoner har en faktor på en million gange mindre energi end de gammastråler, vi ser strømme fra Fermi-boblerne. Så vi skal ikke springe til konklusioner om, at de kommer fra de samme fysiske processer.
SU: Og her i vores egen galakse, tror jeg, at flere stiller spørgsmål om implikationerne af, at Mælkevejens sorte hul er så aktiv. Jeg tror, billedet og spørgsmålene er forskellige nu. At opdage denne struktur har meget vigtige konsekvenser for mange centrale spørgsmål om Mælkevejen, galaksdannelse og sort hulvækst.
Fermi Gamma-ray Space Telescope indsamlede de data, der afslørede Fermi-boblerne. Billede via NASA's Goddard Space Flight Center
TKF: Doug og Meng, i en Scientific American-artikel, som du har medforfatter til Dmitry Malyshev, sagde du, at Fermi bobler "lover at afsløre dybe hemmeligheder om strukturen og historien i vores galakse." Vil du fortælle os mere om, hvilken type hemmeligheder disse måtte være ?
SU: Der er mindst to centrale spørgsmål, som vi prøver at besvare om de supermassive sorte huller i midten af hver galakse: Hvordan dannes og vokser det sorte hul i sig selv? Og når det sorte hul vokser, hvad er interaktionen mellem det sorte hul og værtsgalaksen?
Jeg tror, at hvordan Mælkevejen passer ind i dette store billede stadig er et mysterium. Vi ved ikke, hvorfor massen af det sorte hul i midten af Mælkevejen er så lille i forhold til andre supermassive sorte huller, eller hvordan samspillet mellem dette relativt lille sorte hul og Mælkevejen galaksen fungerer. Boblerne giver et unikt led både for, hvordan det sorte hul voksede, og hvordan energiinjektionen fra det sorte huls tiltrædelsesproces påvirkede Mælkevejen som helhed.
Finkbeiner: Nogle af vores kolleger ved Harvard – Smithsonian Center for Astrophysics udfører simuleringer, hvor de kan se, hvordan supernova-eksplosioner og sorte hulletilbagegangshændelser opvarmer gas og driver den ud af en galakse. I nogle af disse simuleringer kan du se, at tingene går fint, og stjerner dannes, og galaksen roterer, og alt fortsætter, og så når det sorte hul en kritisk størrelse. Pludselig, når mere stof falder ned i det sorte hul, gør det så stor flash, at det dybest set skubber det meste af gassen lige ud af galaksen. Efter dette er der ikke mere stjernedannelse - du er slags færdig. Denne feedbackproces er nøglen til dannelse af galaksen.
SU: Hvis boblerne - som dem, vi fandt - dannes episodisk, kan det hjælpe os med at forstå, hvordan energiudstrømningen fra det sorte hul ændrer halogen af gassen i Mælkevejen mørke stof halo. Når denne gas afkøles, danner Mælkevejen stjerner. Så hele systemet vil blive ændret på grund af boblehistorien; boblerne er tæt knyttet til historien om vores galakse.
Data fra Fermi-teleskopet viser boblerne (i rødt og gult) mod andre kilder til gammastråler. Galaxens plan (for det meste sort og hvidt) strækker sig vandret over midten af billedet, og boblerne strækker sig op og ned fra midten. Billede via NASA's Goddard Space Flight Center
TKF: Hvilke yderligere eksperimentelle data eller simuleringer er nødvendige for virkelig at forstå, hvad der foregår med disse bobler?
SU: Lige nu er vi fokuseret på to ting. For det første ser vi ud fra observationer med flere bølgelængder efter at forstå boblernes aktuelle status - hvor hurtigt de ekspanderer, hvor meget energi der frigives gennem dem, og hvordan partikler med høj energi inden for boblerne accelereres enten tæt på det sorte hul eller inde i selve boblerne. Disse detaljer vil vi forstå så meget som muligt gennem observationer.
For det andet ønsker vi at forstå fysikken. For eksempel vil vi forstå netop, hvordan boblerne dannede sig i første omgang. Kunne et udbrud af stjernedannelse meget tæt på det sorte hul være med til at danne udstrømningen, der driver boblerne? Dette kan hjælpe os med at forstå, hvilken slags proces der danner disse typer af bobler.
Finkbeiner: Enhver form for arbejde, der kan give dig den mængde energi, der frigives i bestemte tidsrum, er virkelig vigtig for at finde ud af, hvad der foregår.
SU: Sandheden synes, det er forbløffende, hvor mange af de konklusioner, vi drager fra de allerførste observationer af boblerne, stadig gælder i dag. Energien, hastigheden, boblernes alder - alle disse stemmer overens med dagens observationer. Alle observationer peger på den samme historie, som giver os mulighed for at stille mere detaljerede spørgsmål.
TKF: Det sker ikke ofte i astrofysik, hvor dine indledende observationer er så upåklagelige.
Finkbeiner: Dette sker ikke altid, det er sandt. Men vi var heller ikke særlig præcise. Vores papir siger, at boblerne er et sted mellem 1 og 10 millioner år gamle, og nu tror vi, de er omkring 3 millioner år gamle, hvilket er logaritmisk lige mellem 1 og 10 millioner. Så vi er temmelig glade. Men det er ikke som om vi sagde, at det ville være 3,76 millioner og havde ret.
TKF: Hvad er de andre resterende mysterier om disse bobler? Hvad mere håber du på at lære, at vi ikke allerede har diskuteret?
Finkbeiner: Vi har en alder. Jeg er færdig.
TKF: Ha! Nu lyder det ikke som astrofysik.
SU: Nej, vi forventer faktisk at lære mange nye ting fra fremtidige observationer.
Vi vil have yderligere satellitter, der lanceres i de kommende år, som vil tilbyde bedre målinger af boblerne. En overraskende ting, vi har fundet, er, at boblerne er afskåret med høj energi. Grundlæggende stopper boblerne med at skinne i gamma-stråler med høj energi ved en bestemt energi. Derudover ser vi ingen gammastråler, og vi ved ikke hvorfor. Så vi håber at tage bedre målinger, der kan fortælle os, hvorfor denne afskæring sker. Dette kan gøres med fremtidige gammastråle-energisatellitter, inklusive dem kaldet Dark Matter Particle Explorer, der vil blive lanceret senere på året. Selvom satellitten er fokuseret på at lede efter underskrifter af mørkt stof, vil den også være i stand til at registrere disse høj-energi gamma-stråler, endnu højere end Fermi Gamma-ray Space Telescope, det teleskop, vi brugte til at opdage Fermi-boblerne. Det er her navnet på strukturen kom fra.
På samme måde er vi også interesseret i de lavere energi-gammastråler. Der er nogle begrænsninger med Fermi-satellitten, vi i øjeblikket bruger - den rumlige opløsning er ikke næsten lige så god til lav-energi gamma-stråler. Så vi håber at lancere en anden satellit i fremtiden, der kan se boblerne i gammastråler med lavenergi. Jeg er faktisk en del af et team, der foreslår at bygge denne satellit, og jeg er glad for at finde et godt navn til det: PANGU. Det er stadig i de tidlige stadier, men forhåbentlig kan vi få dataene inden for 10 år. Herfra håber vi at lære mere om processerne inden for boblerne, der fører til udsendelse af gammastråler. Vi har brug for flere data for at forstå dette.
Vi vil også gerne lære mere om boblerne i røntgenstråler, der også indeholder nøgleinformation. For eksempel kunne røntgenstråler fortælle os, hvordan boblerne påvirker gassen i Mælkevejens glorie. Boblerne opvarmes formodentlig gassen, når de udvides til glorie. Vi vil gerne måle, hvor meget energi fra boblerne dumpes i gashalogen. Det er nøglen til at forstå det sorte huls indvirkning på stjernedannelse. En ny tysk-russisk satellit kaldet eRosita, der var planlagt at blive lanceret i 2016, kunne hjælpe med dette. Vi håber, at dens data vil hjælpe os med at lære detaljer om alle boblestykker, og hvordan de interagerer med gassen omkring dem.
Finkbeiner: Jeg er helt enig i, hvad Meng lige sagde. Det bliver et meget vigtigt datasæt.
SLATYER: At finde ud af den nøjagtige oprindelse af boblerne er noget, jeg ser frem til. Hvis du f.eks. Foretager nogle grundlæggende antagelser, ser det ud til, at gammastrålesignalet har nogle meget mærkelige funktioner. Det er især overraskende, at boblerne ser så ensartede ud over det hele. Man kunne ikke forvente, at de fysikprocesser, vi tror finder sted inden for boblerne, producerer denne ensartethed. Er der flere processer på arbejde her? Ser strålingsfeltet inden for boblerne meget anderledes ud end hvad vi forventer? Er der en ulig annullering, der sker mellem elektrondensiteten og strålingsfeltet? Dette er kun nogle af de spørgsmål, vi stadig har, spørgsmål, som flere observationer - som dem Meng talte om - skulle kaste lys over.
Finkbeiner: Med andre ord ser vi stadig detaljeret og siger, "Det ser morsomt ud."
TKF: Det lyder som om der stadig er mange flere observationer, der skal gøres, før vi fuldt ud kan forstå Fermi-boblerne. Men ud fra det, vi allerede ved, er der noget, der kunne affyre den galaktiske kerne igen og få den til at skabe flere sådanne bobler?
Finkbeiner: Nå, hvis vi har ret i, at boblerne kommer fra det sorte hul, der suger en masse stof, skal du bare slippe en flok gas på det sorte hul, så ser du fyrværkeri.
TKF: Er der en masse stof i nærheden af vores sorte hul, der naturligvis kunne udskyde disse fyrværkeri?
Finkbeiner: Helt sikkert! Jeg tror ikke, det vil ske i vores levetid, men hvis du måske venter 10 millioner år, ville jeg overhovedet ikke blive overrasket.
SU: Der er mindre stofstykker, som en sky af gas kaldet G2, som folk vurderer at har så meget masse som måske tre jordarter, som sandsynligvis vil blive trukket ind i det sorte hul på få år. Det vil sandsynligvis ikke producere noget som Fermi-boblerne, men det vil fortælle os noget om miljøet omkring det sorte hul og fysikken i denne proces. Disse observationer kan hjælpe os med at lære, hvor meget masse det ville have taget at skabe Fermi-boblerne, og hvilke fysikstyper der spilles i denne proces.
Finkbeiner: Det er sandt, vi lærer måske noget interessant fra denne G2-sky. Men dette kan være lidt af en rød sild, da ingen rimelig model antyder, at den vil producere gammastråler. Det ville tage en gassky, sådan som 100.000.000 gange større for at producere en Fermi-boble.
SU: Der er mange beviser for, at det galaktiske center var et meget andet miljø for flere millioner år siden. Men det er svært at udlede den samlede historie om nøjagtigt, hvordan tingene var i fortiden, og hvad der skete i den mellemliggende tid. Jeg tror, at Fermi-boblerne muligvis kan give et unikt, direkte bevis på, at der engang var meget rigere omgivende gas og støv, der fodrede det centrale sorte hul, end der er i dag.
TKF: Fermi-boblerne er bestemt et spændende forskningsområde. Så betyder mørkt stof, hvilket er, hvad du oprindeligt ledte efter, da du opdagede Fermi-boblerne. Hvordan går det med den originale jagt på mørke stoffer?
Finkbeiner: Vi er virkelig kommet i fuld cirkel. Hvis der findes en af de mest omtalte typer af teoretiske mørke stofpartikler, den svag interagerende mørke stofpartikel, eller WIMP, bør den give fra en slags gammastrålesignal. Det er bare et spørgsmål om, om dette signal er på et niveau, som vi kan registrere. Så hvis du nogensinde vil se dette signal i den indre galakse, er du nødt til at forstå alle de andre ting, der skaber gamma-stråler. Vi troede, at vi forstod dem alle, og så kom Fermi-boblerne sammen. Nu er vi virkelig nødt til at forstå disse bobler grundigt, før vi kan vende tilbage til at lede efter WIMP'er i midten af galaksen. Når vi først har forstået dem godt, kan vi med tillid trække Fermi-boble-gammastrålerne fra det samlede gammastrålesignal og se efter noget overskud af gammastråler, der kan komme fra mørkt stof.
At sammensætte citater fra Richard Feynman og Valentine Telegdi, "Gårsdagens sensation er dagens kalibrering er morgendagens baggrund." Fermi-boblerne er bestemt meget interessante i sig selv, og de vil holde folk travlt i mange år med at finde ud af, hvad de er . Men de er også en baggrund eller en forgrund til enhver mørk stofsøgning, og de skal også forstås af den grund.
SLATYER: Dette er, hvad jeg arbejder på i min forskning i disse dage. Og det første spørgsmål til, hvad Doug netop sagde, er ofte, ”Nå, hvorfor leder du ikke bare efter bevis på mørkt stof et andet sted end den indre galakse?” Men i WIMP-modeller af mørk stof forventer vi signalerne fra den galaktiske centrum for at være markant lysere end andre steder på himlen. Så bare det at give op på det galaktiske centrum er generelt ikke en god mulighed.
Ser vi på Fermi-boblerne nær det galaktiske centrum, har vi fundet et lovende signal, der potentielt kan være forbundet med mørkt stof. Det strækker sig en betydelig afstand fra det galaktiske centrum og har en masse af de egenskaber, som du kunne forvente af et mørkt stofsignal - inklusive der også vises uden for boblerne.
Dette er en meget konkret sag, hvor undersøgelser af Fermi-boblerne afslørede noget, der kan være relateret til mørkt stof - det var det, vi ledte efter i første omgang. Det understreger også vigtigheden af at forstå, hvad der præcist foregår i boblerne, så vi kan få en bedre forståelse af denne meget interessante himmelregion.
Finkbeiner: Det ville være en suveræn ironi, hvis vi fandt Fermi-boblerne, mens vi kiggede efter mørkt stof, og derefter, mens vi studerede Fermi-boblerne, opdagede vi mørke stoffer.