科学家团队发现仙女座超大气泡驱动星系湍流

发布时间：2026-09-22 10:40:52 12次浏览来源：中国科学报

9月17日, 清华大学天文系李菂教授团队牵头，联合中国科学院国家天文台及国际合作者完成，发现仙女座超大气泡（superbubble以下简称超泡）驱动星系湍流, 相关研究成果在线发表于《自然·天文》。

仙女座星系中原子氢气的分布图。（李菂团队供图）

论文通讯作者李菂表示，“天体物理中的湍流研究，其观测表象往往很少超出柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)标度。我们把‘中国天眼’FAST对大尺度弥散气体的灵敏测量，与美国甚大天文阵列(JVLA)对精细结构的分辨能力结合起来，从星系这一超大尺度出发，探讨湍流能量注入与传递等艰深的基础物理问题。”

距离地球约250万光年的仙女座星系（M31）是距离人类最近类银河系星系。它既足够近，便于分辨大型超泡，又能从外部提供整个星系全貌。“中国天眼”FAST与美国JVLA的联合观测，同时保留了超泡壳层的精细结构与弥散的大尺度信息，使演化晚期、膨胀缓慢的超泡得以被识别。团队结合壳层形态和膨胀的运动学证据，确认118个中性氢超泡，其膨胀时间可达约4000万年。

研究人员比较了超泡的供能速率与湍流的能量损失速率，发现两者不仅数值相当，随星系半径的变化趋势也相吻合。这表明，星团中连续发生的超新星爆炸，通过超泡提供的能量足以维持M31中观测到的中性氢湍流。这项研究使超泡成为测量恒星对星系长期影响的重要工具，将超新星能否维持星系湍流这一长期争论，转化为对气体结构与运动的直接定量检验，为研究恒星反馈如何塑造星系开辟了新的观测途径。

超泡的研究已有近半个世纪的历史。1979年，天文学家在银河系中辨认出数十个气体壳层，其中最大的结构难以用单次超新星爆炸解释。此后的研究逐渐表明，成群大质量恒星的星风与接连发生的超新星爆炸，能够共同推动周围气体，形成巨大的空腔和膨胀壳层，即“超泡”。随着观测能力提升，越来越多的这类结构被发现，它们对整个星系意味着什么，也成为新的追问。

另一条研究线索则更为久远。早在20世纪40年代，天文学家就开始用湍流理论解释星际气体的运动。这些遍布星系、发生在不同尺度上的复杂随机运动，影响着气体聚集和恒星形成，却也在不断损失能量。究竟是什么使它们持续存在？超新星长期被认为是重要的能量来源，但爆炸释放的能量有多少真正传入气体，始终难以确定。

超泡恰好将这两条线索连接起来。膨胀的超泡壳层记录了恒星活动实际传给气体的动能，其膨胀时间则提供了衡量长期供能速率的依据。借助FAST与JVLA的联合观测，研究人员得以从气体当前的状态，追溯跨越数千万年的能量输入，并检验它是否足以补偿湍流的持续消耗。曾被用来研究恒星如何塑造周围环境的超泡，由此成为理解星系湍流能量来源的关键。

研究得到国家自然科学基金、新基石科学基金会等资助。