银河系的神秘细丝有远亲

西北大学天体物理学家法哈德·扎德(FarhadZadeh)自20世纪80年代初首次发现银河系中心悬垂的大型、高度组织化的磁丝家族以来，就一直对它们着迷和困惑。

现在，40年过去了，Zadeh仍然同样着迷——但也许不那么困惑了。

随着在其他星系中发现类似的细丝，Zadeh和他的合作者首次对细丝的未知来源提出了两种可能的解释。在本月早些时候发表在《天体物理学杂志快报》上的一篇新论文中，扎德和他的合著者提出，这些细丝可能是由大规模风和云之间的相互作用产生的，也可能是由弱磁场内的湍流产生的。

“我们对银河系中心的细丝了解很多，现在星系外的细丝开始以新的河外细丝种群形式出现，”扎德说。“尽管环境截然不同，但两种细丝的潜在物理机制是相似的。这些物体属于同一个家族，但银河系外的细丝是更古老的远亲——我的意思是非常遥远(在时间和空间上))表兄弟。”

Zadeh是射电天文学专家，是西北大学温伯格艺术与科学学院的物理学和天文学教授，也是天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)的成员。

“一些普遍的事情正在发生”

扎德发现的第一条细丝长达150光年，高耸于银河系中央的超大质量黑洞附近。今年早些时候，Zadeh在他的观察集中又增加了近1,000条灯丝。在那批中，一维细丝成对成簇出现，通常等距堆叠，像竖琴上的弦一样并排排列，或者像瀑布中的单个涟漪一样向侧面溢出。

扎德利用射电望远镜的观测发现了这些神秘的细丝，其中包含以接近光速的速度沿着磁场旋转的宇宙射线电子。虽然他正在拼凑这些细丝是由什么制成的谜题，但扎德仍然想知道它们是从哪里来的。当天文学家在我们自己的银河系之外发现了一个新的种群时，它为研究细丝周围空间的物理过程提供了新的机会。

新发现的细丝位于一个星系团内，该星系团是距地球10亿光年的数千个星系的集中纠结。星团内的一些星系是活跃的射电星系，它们似乎是形成大尺度磁丝的温床。当扎德第一次看到这些新发现的细丝时，他惊呆了。

“这些年来，在我们自己的银河中心研究细丝之后，看到这些极其美丽的结构，我感到非常兴奋，”他说。“因为我们在宇宙的其他地方发现了这些细丝，这暗示着普遍存在的事情正在发生。”

磁丝的特写无线电图像。最左边的灯丝来自外部星系。它的长度为100千秒差距，高于银河系的其他三个细丝，它们的长度分别为28秒差距、12秒差距和6秒差距。图片来源：Rudnick和合作者，2022年

银河巨人

尽管新的细丝群看起来与我们银河系中的细丝群相似，但也存在一些关键差异。例如，银河系外的细丝要大得多——长100到10,000倍。他们也更老，他们的磁场更弱。它们中的大多数奇怪地以90度角悬挂在黑洞的喷流中，进入星团内介质的巨大虚无，或星团内星系之间的楔形空间。

但新发现的种群与银河系的细丝具有相同的长宽比。并且这两个种群似乎都通过相同的机制传输能量。越靠近射流，灯丝的电子越有活力，但随着它们沿着灯丝向下移动得越远，它们就会失去能量。尽管黑洞的喷流可能提供了产生细丝所需的种子粒子，但一定有某种未知的东西在加速这些粒子以达到惊人的长度。

“其中一些的长度惊人，可达200千秒差距，”扎德说。“这大约是我们整个银河系的四到五倍。值得注意的是，它们的电子在如此长的尺度上保持在一起。如果一个电子沿着灯丝的长度以光速行进，它需要它700,000年。而且它们不会以光速行进。”

充满希望的可能性

在这篇新论文中，Zadeh和他的合作者假设细丝的起源可能是银河风与云等障碍物之间的简单相互作用。当风绕过障碍物时，它会在障碍物后面形成一条彗星状的尾巴。

“风来自于星系自身旋转时的运动，”扎德解释道。“这就像你从行驶中的汽车上把手伸出窗外。外面没有风，但你会感觉到空气在移动。当星系移动时，它会产生风，可能会推动宇宙射线粒子相当多的地方松散。它扫过材料并形成丝状结构。“

然而，模拟提供了另一种可行的可能性。当研究人员模拟一个活跃的、湍流的介质时，长长的丝状结构就出现了。Zadeh解释说，当射电星系四处移动时，重力会影响介质并搅动它。然后介质形成漩涡点。弱磁场缠绕这些涡流后，它会被拉伸、折叠和放大——最终变成具有强磁场的细长细丝。

尽管仍有许多问题，扎德仍然对这些新发现感到惊奇。

“我们银河系外的所有这些细丝都非常古老，”他说。“它们几乎来自我们宇宙的不同时代，但却向银河系居民发出信号，表明细丝的形成存在共同起源。我认为这很了不起。”