清华大学李菂教授团队利用中国天眼FAST与美国甚大阵列JVLA的联合观测，在250万光年外的仙女座星系中识别出118个中性氢超泡，首次定量证实超新星爆发驱动的超级气泡是维持星系气体湍流的直接能量来源。这项成果于2025年9月17日发表在《自然·天文》期刊上，终结了困扰天文学界近半个世纪的星系湍流起源争议。[1][2]
什么是星系湍流？为什么它困扰了科学家几十年？
星系湍流是指星际介质（气体和尘埃）在星系内部持续、无规则的运动状态。就像河流中的漩涡和急流，星系中的气体并非静止，而是不断翻滚、混合。这种湍流对星系的演化至关重要——它影响恒星的诞生、星系的形态维持以及物质循环。然而，驱动这种持续数亿年甚至更长时间的能量来源一直是谜题。理论猜测可能来自超新星爆炸，但缺乏直接观测证据。此前，科学家只能通过模拟推测，无法定量回答“超新星输入的能量是否足够维持整个星系的湍流”。[2]
超级气泡是如何产生的？与超新星爆发有何关系？
超级气泡是超新星爆炸的“遗产”。大质量恒星在生命末期发生剧烈爆炸，释放出巨大能量，冲击波将周围的星际介质向外推开，形成一个不断膨胀的气泡结构。多个超新星在同一星团内连续爆发，气泡会相互合并、叠加，形成尺度可达数百光年的超级气泡。本次在仙女座星系发现的118个超级气泡，对应了过去约4000万年内发生的数千次超新星爆炸。[1]这些气泡的膨胀运动持续向星系注入动能，成为驱动湍流的“引擎”。
中国天眼FAST是如何发现这些超级气泡的？
FAST（500米口径球面射电望远镜）拥有极高的灵敏度和分辨率，尤其擅长探测大尺度的弥散中性氢气体。中性氢（HI）是星际介质的主要成分，超级气泡在膨胀过程中会推挤中性氢，形成空洞或壳层结构。FAST与JVLA的联合观测，相当于同时获得了大范围气体分布（FAST）和精细结构（JVLA）的信息，使得这些此前被淹没在背景中的气泡得以清晰成像。这项联合观测获取了仙女座星系已知最精细的中性氢图像，因此成功识别出118个超泡。[1][4]
这项发现对理解银河系和地球有何意义？
仙女座星系距离地球约250万光年，是本星系群中与银河系最接近的大型旋涡星系，结构相似。由于我们身处银河系内部，无法观测其全貌，研究仙女座星系成为理解银河系演化的最佳“替身”。此次定量证实超新星驱动的超级气泡是星系湍流的主要来源，意味着我们银河系内部的湍流很可能也由相似的机制维持。这有助于揭示恒星形成、星际介质循环以及星系如何保持稳定结构的根本规律。[1]
概念解释表
| 概念 | 通俗解释 | 例子 | 优势 | 限制 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 星系湍流 | 星系内气体的无序翻滚运动 | 类似杯中搅动的咖啡 | 促进气体混合、触发恒星形成 | 能量来源长期未知 | 星系演化研究 |
| 超级气泡 | 超新星爆炸吹出的巨大气体空腔 | 仙女座星系中的118个气泡 | 可观测、可量化能量输入 | 需要高灵敏度射电望远镜 | 星际介质动力学 |
| 超新星爆发 | 大质量恒星终结时的剧烈爆炸 | SN 1987A | 释放能量极大 | 爆发频率较低 | 元素合成、宇宙线加速 |
| 中性氢（HI） | 星际空间中未电离的氢原子 | 宇宙中最丰富的物质 | 可追踪气体运动 | 21厘米谱线观测需大型射电望远镜 | 星系结构测绘 |
常见问题解答（FAQ）
问：118个超级气泡是不是意味着仙女座星系正在走向毁灭？
不是。超级气泡是恒星正常生命周期（特别是大质量恒星死亡）的自然产物，它们驱动气体运动，反而有助于维持星系的活力，促进新恒星的诞生。这些气泡的膨胀时间是千万年量级，远小于星系的百亿年寿命。[1]
问：FAST在此次发现中的作用是否独一无二？
FAST的极高灵敏度使其能够探测到以往望远镜无法分辨的弥散中性氢气体结构，这是发现超级气泡的关键。但联合观测中的JVLA提供了高空间分辨率信息，两者互补。可以说，FAST的“大范围灵敏”与JVLA的“精细成像”缺一不可。[1][4]
问：这一成果对普通人有什么实际意义？
直接说没有，但基础科学探索的价值在于拓展人类认知边界。理解星系如何演化，有助于回答我们自身（地球、太阳系）在宇宙中处于何种位置，以及银河系的过去和未来。此外，FAST的技术积累也推动了射电天文仪器的发展，间接惠及通信、数据处理等领域。
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