本地泡与本地通道

□ 张 博

本地泡与本地通道

□ 张 博

气体、尘埃和新生恒星交织在一起的猎户星云。图片来源：APOD

银河系中不但拥有大量恒星系统，而且还四处散布着星际介质。这些由气体与尘埃组成的物质甚为稀疏，平均每立方厘米只有0.5个原子左右（作为对比，实验室所能达到的最高等级真空，其原子数密度也至少要上百倍于此），但总数却不容小觑，质量上占据了整个星系的10%。星际介质的分布并不均匀，在较大尺度上明显相对旋臂集中；就算在旋臂之内，也是浓密的分子云与密度远较四周为低的泡状空腔交错排布。前者如众所周知的猎户星云等产星区，新生恒星正从其中喷薄而出；而本文的主角--太阳所处的本地泡（Local Bubble）--则是后一种情形的最好实例。

本地泡的现身要追溯到射电天文学诞生之初的20世纪中期。在电磁波谱最长端做出第一批重要发现的就包括氢原子的21厘米谱线；当年的射电天文学先驱借由21厘米线辐射强度的变化，初步判定出河内的中性氢密度存在涨落。20世纪70年代，轨道天文台3号（OSO-3，又名哥白尼卫星）通过紫外观测证明，星际空间遍布低密度的高温泡状结构（也就是超泡），彼此以管状通道相连，外围则包裹以高密度的低温气体壁，整体造型可类比为海绵或蚁穴。而当下太阳也位于一个超泡（本地泡）的中心。

本地泡位置与形状的艺术概念图。图片提供：NASA CHIPS

本地泡与太阳周边的星际物质分布示意图，其中橙色表示产星区，浅紫色的丝缕对应后文要提到的本星际云，以高温电离气体组成的古姆星云则以绿色表示。图片提供：Linda Huff (American Scientist), Priscilla Frisch (U. Chicago)S

根据早先的估计，本地泡宽度介于330到490光年不等，距离太阳系最近的泡壁屹立在银心方向的175到190光年以外。泡内的中性氢原子数密度约合每立方厘米0.05个，只及银河系平均值的十分之一，其相对银盘的比值还要更低。看上去这个超泡目前正与另一个庞大的低密度泡——一号圈（Loop I）发生着相互作用，二者经由豺狼座的“隧道”相连。宽约700光年、中心点距离地球约400光年的一号圈堪称全天最大的相干结构，跨越100余度的天区，其X射线和射电信号均清晰可见，著名的红巨星——天蝎座的心宿二就身居其内。

这种超泡的形成与大质量恒星，尤其是大型OB星协的演化关系密切。星协是同批次形成的恒星集合体，其中的成员星有着共同的年龄、速度和运动方向，但之间的引力束缚微弱，随着时间的推移会逐渐分散开来，所以与星团有所区别。OB星协往往含有数十至上百颗年轻的O或B型星，这些明亮又炽热的大块头在很大程度上塑造了整个系统的外形：一方面，当大质量恒星作为超新星结束生命之时会掀起强劲的激波，将星周介质推挤开来；另一方面，此类恒星在一生之中吹出的星风总动能也可达1051尔格，堪与超新星爆发释放的能量比肩，因此有能力先期就清空一部分原有的星际物质。在长期遭受大量短寿亮星这般轰击之后，OB星协的常态就是生长出了涵盖方圆数十光年乃至更大体积、包裹全体成员星的超泡，其外边界是被扫过后又冷却凝集的星际气体壳，内里则充斥着被星风或超新星激波加热的稀薄物质，温度可达百万度的量级。

伦琴X射线卫星眼中的一号圈，其中的北银极支（North Polar S pur）是整个圈环上最明亮的部分，其起因很可能与天蝎-半人马星协中百万年前的一起超新星事件有关。图片提供：ROSAT, MPI, ESA, NASA

大麦哲伦云中的黑尼策（Henize）70超泡（又称N70），宽约300光年。图片提供：ESO

像上图中的黑尼策70这样外观还算浑圆，且外轮廓仍旧发光的超泡一般年纪较轻。但要测绘更为古老的本地泡就没有那么容易了。这个大致形成于一二百万年前超新星事件及星风作用的超泡（本地泡），其现今的外形严重偏离了完美的球壳不说，边缘处由电离原子激发出的可见光辐射也早已消退殆尽。直接观测的话，只能借助壳层发出的中性氢谱线或是泡内高温物质的软X射线与极紫外辐射一觅泡体的影踪。鉴于软X射线与极紫外光子极易被星际气体吸收殆尽，故而天空中若出现了相应波段的较强辉光，它们理应源自近域宇宙。本地泡的存在能够从两个方面解释软X射线/极紫外线弥漫背景辐射的成因：一来泡中热气体自身就能发光；二来太阳身居星际介质密度极低的泡内，周围不具备足够的吸收体，所以允许我们接收到这种辐射。在2003年到2008年间工作的星际热等离子体光谱卫星（CHIPS）就以此全面而又系统地考察了邻近热气体的温度、电离与冷却机制，为本地泡的相关探讨提供了重要线索；后来的探空火箭实验还进一步证明，虽然发生在太阳系内的某些过程，如彗星与太阳风的相互作用也会贡献一些软X射线流量，但为了凑足所见的背景光强度，本地泡还是必需的。

探索本地泡内热气体辐射的C HIP S卫星。图片提供：NASA

另一种间接方法就是拍摄大量不同距离上的恒星光谱（一般以选择易于特定吸收线探测的蓝白色B或A型恒星为宜），利用其中的吸收线强度来测量中性气体（如钠）在不同方向上的分布。天文学家据此标定出了大量钠原子集中其上的致密中性泡壁，还发现了大犬座军市一（大犬β）方向上绵延将近1000光年的中性气体匮乏区，这意味着本地泡的覆盖范围以及外观的不对称程度可能超出了最初的预期。此外，对钠谱线多普勒效应的调研也能标定泡壁物质运动方向的信息。但高银纬恒星的数量本来就比较少，光谱观测法的应用有些受限，难以给出这个超泡的全貌。

同时，20世纪90年代的软X射线造影分析也表明，本地泡中应当存在穿透银盘，一直延伸到银晕之中的热气体分支。这一结论与恒星光谱吸收线普查相符，暗示本地泡貌似只是更长的筒状“本地通道”（Local Chimney）的一小部分而已。而极紫外探测器（EUVE）在同期进行的巡天更凭借大批极紫外源（尤其是河外极紫外源）在天球上的聚集现象，为本地通道提供了很好的证据——考虑到密度稍高的星际中性氢云就足以阻隔极紫外线的传播，这些远距离天体的发现实属意外。这只能说明相应的视线方向上缺乏吸收介质，从而允许极紫外光子几乎不受阻挡地从中通过。EUVE公布的20余个河外源大抵来自高银纬处，所在天区则由本地泡的中性气体壁勾勒。这有力地论证了泡状结构实则具有开放式的末端，一直通向河外空间的说法。

EUVE观测到的极紫外辐射源在银道坐标系中的分布，图中以粉色数据点表示河外源，可见它们在南北银极聚集成团，又以北天为多。图片提供：MAST/STScI

这还不算完。本地通道本身的形态也谈不上不规则。在它由致密气体组成的侧壁上，众多大大小小的分支伸展开去，也许最终与银河系中的其他泡状空腔或管道联结了起来。这样的构造据信可以由一系列的超新星爆发形成，从概念上看其实一点也不新鲜，其梗概早在40多年前即已被理论家提出。大体说来，这个过程首先要由各次超新星爆发分别抛出高速膨胀的热气体泡，并与星际介质相互作用产生经典的壳层式超新星遗迹；随后相邻的壳层持续膨胀并相互碰撞，进而瓦解破碎成了一系列彼此通过管道相连的空腔，让整个区域变得愈发复杂。

极紫外探测器全天图。E UV E发射于1992年，这张假彩色的全天图就是根据其前6个月的观测数据绘制出来的（图中上方为北）。图片来源：APOD

本地通道这种通过超新星生成的结构在其他星系中倒也曾有所目睹。激烈的星体爆发有能力完全刺穿星系盘上的星际介质，并将高温气体抛入星系冕内，最终驱动冕中的喷流，让物质再度冷却，重新落回星系盘内。远紫外空间探测器（FUSE）就曾经找到过涌向太阳的热气体，它们可能正是来自回落的银道喷流。所以本地通道不仅为人们打开了河外极紫外观测的窗口，还让银盘与银晕中的成分联系到了一起，在银河系的整体物质循环中扮演了举足轻重的角色。

此等星系全局性事件自然不会局限在太阳周边发生，因此本地通道或许只是银河系活跃生态的一个缩影，类似的空腔和通道网络遍布银盘。事实上邻近区域也的确具备物质匮乏的星际介质洞穴，连带让不同泡体互通有无的空管。比如御夫-英仙、天蝎-半人马、豺狼-矩尺等富含低密度电离气体的年轻星协都经由切过致密物质的指状管路同旁边的一处空腔相连。随着观测的深入与灵敏度的提升，未来我们应该有条件给出较大范围内的星际介质分布详图，并查明更多与本地泡/本地通道类似的构造。

本地低密度通道的分布图，这条管状结构从太阳附近的银盘区域一直延伸到上方的银晕中。图中白色表示低密度高温气体，而深色表示致密冷气体的集中区。图片提供：U.C. Berkeley, CNRS

银盘上的超新星爆发打开银晕通道，并驱动银道喷流的示意图。图片提供：FIMS, Space Science Lab, NASA

再回到本地泡内部。虽说这里的中性气体分布总体上非常稀疏，但也并非不存在起伏。比如当下就有一团比较致密（比银河系平均水平略低，但还是相当于本地泡本身的若干倍）且温度相对为低（1万开尔文左右）的磁化星际气体云正从天蝎-半人马星协朝向太阳系飞来（或者说太阳系正从其中穿过），并经过对邻近恒星特定波长辐射的吸收效应而显露出了踪迹。这团氢云的名称是“本地绒毛”（Local Fluff）或本星际云（Local Interstellar Cloud），大概就是一号圈与本地泡之外的另一片致密分子云——天鹰座暗隙相互作用的产物。

对于地球来说，本地泡/本地通道的最大作用在于有效屏蔽了对生命构成威胁的宇宙线与气体流——在来自深空的高能粒子接近太阳风的领地并被后者拦截之前，它们已经被泡壁先期筛选过了一次。而同本星际云的相互作用或许也会为地球带来显著的影响，这是因为较致密的气体云可能会在一定程度上抑制太阳风的强度，并让更多的粒子来到地球近旁，进而影响全球气候。实际上，历史上的若干次气候巨变没准就与太阳系穿越该云团的某些部分有关。如果能够以更高的精度解析本地泡之内的不同细节，说不定还能为古气候学带来重要的线索，这称得上是很有意思的跨学科研究课题了。

本地绒毛（或本星际云）。图中勾勒出了距离我们20光年内的星际物质分布位置，具体数据来自星际边界探测者（Interstellar Boundary Explorer，简称IBEX）的观测。这些数据表明，我们的太阳在本星际云中穿行，而这团云气来自天蝎-半人马星协的恒星形成区。目前我们对本星际云所知不多，对于其起源以及如何影响太阳、地球等细节都有待进一步研究。图片来源：APOD

假设本地泡/本地通道是由一两百万年前的超新星吹出的，相应的超新星又在哪里？早年的观点认为，它正是双子座伽玛射线脉冲星杰敏卡（Geminga）前身天体的大爆发。但现在看来，既然太阳附近的年轻恒星有不少都列处本地通道的边界，其中最年轻的那些又与正朝本地泡疾驰而来的昴星团B1子群成协，所以有学者认为，这群恒星中最大最明亮的那些早已作为超新星爆发殆尽，它们也许正是在致密星际介质中掘开空腔，并创生出本地泡/本地通道的元凶。而超新星爆发过程中射出的激波又压缩了周围的气体，诱发了新一代的产星活动，于是星团中的星光变得更为灿烂。

本星际云与太阳相对运动的示意图。图片提供：Linda Huff (American Scientist), Priscilla Frisch (U. Chicago)

更进一步的模拟研究表明，过去1300万年间，300光年之外16起逐次发生的超新星即可雕琢出类似本地泡的空洞，而与这批超新星同期诞生的小质量幸存者在经历多年的飞驰之后现已汇入天蝎-半人马星协。再结合对海底铁-60沉积物（这一同位素几乎只会产生于超新星爆发）的调查，基本可以将最近两次超新星爆发的时间分别敲定在230万和150万年前。这期间在地球上，人类的先祖才刚刚走下树梢。不过当时哪怕最原始的文化也还没有问世，文字的发明更是尚待时日。不知那些新进化出的直立人是否注意到了空中的客星异象，并由此生起了最早的好奇心？