在晴朗的夜晚，远离城市灯光，您可能会看到一道美丽的结构横跨天空：我们的家园星系，银河系。自古代以来，人类就对在银河背景下呈现轮廓的黑暗尘埃云感到惊叹。仅仅在四个世纪前，伽利略将他的望远镜指向天空，发现看似泼洒在黑暗天空中的“牛奶”实际上是无数恒星混合的光芒。
银河系的结构现在再次被修正。我们和我们的合作者发现了巨大的结构，它们耸立在银河系中心之上，并延伸数万光年进入太空。这些发光的瓣状结构长期以来一直未被注意到，因为它们在伽马射线中发出最明亮的光芒，而伽马射线无法穿透我们的大气层。我们需要一种全新的望远镜，在太空中运行，才能看到它们。
我们尚不清楚是什么产生了这些我们称之为费米气泡的结构。但它们似乎是由银河系中心深处发生的神秘过程驱动的——这是一个混乱的区域，在那里，超大质量黑洞搅动着滚烫的气体漩涡，而剧烈的超新星爆发则像水仙花一样从富饶的恒星育儿土壤中绽放出来。
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像许多令人惊讶的发现一样，我们偶然发现了费米气泡。现在我们已经开始细致地绘制它们特征的地图。银河系的巨型气泡有望揭示关于我们星系的结构和历史的深刻秘密。
令人惊讶的发现
关于银河系内部存在异常现象的最初线索并非来自伽马射线，而是来自微波。那是2003年，我（芬克拜纳）试图使用威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的数据更好地理解宇宙的起源，WMAP当时是最新的、最伟大的宇宙学卫星。我当时是普林斯顿大学的博士后研究员，研究附近的星际尘埃如何遮蔽来自WMAP预期目标——来自宇宙大爆炸的暗淡余辉——的信号。尘埃本身就很有趣，但对于宇宙学家来说，它就像窗户上的污迹，是一种需要擦掉的麻烦。为了做到这一点，我们对尘埃信号进行建模，并从数据中减去它。
由于天文学家被迫从银河系内部观测宇宙，我还必须减去由穿过银河系的高能粒子（如电子）产生的微波信号。在2003年，天文学家已经对这些信号有了相当复杂的理解，但有些地方不符。我可以模拟大部分银河系辐射，但当我试图从我们关于银河系内部的数据中减去它时，总会剩下一些东西。我将这种剩余信号命名为“微波雾霾”。
这种来自银河系中心的神秘信号没有已知的解释，但天文学家很快就提出了想法。最令人兴奋的可能性是，这种雾霾是隐藏暗物质的证据。没有人知道暗物质是什么，只知道它通过引力与普通物质相互作用[参见博格丹·A·多布雷斯库 (Bogdan A. Dobrescu) 和唐·林肯 (Don Lincoln) 的文章“隐藏宇宙之谜”]。科学家们预计引力会将暗物质拉向银河系中心。在银河系核心的稠密暗物质云中，暗物质粒子碰撞的频率将高于银河系的其他地方。
人们认为暗物质可能包括粒子和反粒子。如果这是真的，那么碰撞的暗物质和暗反物质碎片将相互湮灭，并产生级联的中间粒子。级联最终可能以产生高能光子（伽马射线），以及一个普通物质的高能电子和一个正电子——电子带正电的反物质对应物而结束。
我们看不到暗物质，但我们应该能够看到它产生的这些粒子。当电子和正电子在银河系中心的磁场缠结中扭曲和转动时，它们应该会发出同步加速辐射——带电粒子被迫转弯时发出的发光废气。
我们看到的微波雾霾可能是暗物质产生的同步加速辐射的人工产物。但我们如何才能确定呢？产生同步加速微波的相同电子也应该通过两个不同的过程产生伽马射线：被其他带电粒子减速，以及与光子碰撞。
如果微波雾霾是由高能电子引起的——可能是暗物质湮灭的结果——那么我们也应该能够通过使用费米伽马射线太空望远镜来找到高能伽马射线，该望远镜于2008年发射升空。我已经成为一名教授，并在2009年夏天与当时的博士后研究员格雷戈里·多布勒 (Gregory Dobler) 一起工作，当时费米卫星的数据向公众发布。我们立即冲去制作我们第一批银河系伽马射线图。经过几个漫长的日日夜夜，我们发现银河系内部存在过量的伽马射线雾霾，这似乎与微波雾霾相匹配。我们和我们的合作者迅速提交了一篇论文，认为这些信号是相关的。我们断言，它们都可能是由银河系中心的高能电子群体引起的，但我们没有推测电子的来源。
下一个线索花了一点时间才出现。在2009年10月，我在我的办公室里用新发布的费米数据重新制作我们第一篇论文中的一些图表。我注意到最初的伽马射线数据显示出微弱的边缘——信号急剧下降的清晰边界。在天文学中，鲜明的特征通常来自瞬态事件。例如，超新星可能会发出冲击波，在我们的望远镜中表现为明显的边缘。随着时间的推移，鲜明的特征往往会变得平滑并逐渐消失。
如果暗物质导致了伽马射线信号，那么下降应该很平滑——随着远离银河系中心而缓慢衰减——因为暗物质湮灭已经持续了数十亿年。任何鲜明的边缘都早已消散。
在第一批费米数据中，边缘看起来非常粗糙，以至于我们只是将其归咎于信号中的噪声而忽略了它们。现在它们又在新数据中出现了，我开始怀疑。我将它们展示给我当时的博士生苏萌 (Meng Su) 和特蕾西·斯拉特耶 (Tracy Slatyer)，他们都同意它们是真实的。然后苏萌 (Su) 真正投入进来并开始工作——我想几乎是不眠不休地——推导出边缘的确切形状。在几天之内，我们彻底改变了我们对数据中内容的看法。暗物质出局了。气泡进来了。2010年5月，苏萌 (Su)、斯拉特耶 (Slatyer) 和我向《天体物理学杂志》提交了一篇论文，描述了这些结构，并以费米望远镜的名字命名为“费米气泡”。
气泡制造者
尽管没有人预料到会发现由高能电子和原子核（称为宇宙射线）组成的气泡从银河系上方突出来数万光年，但这也许不应该那么令人震惊。
许多其他星系也有气泡。我们可以在X射线和无线电波中看到它们。如果我们有更好的伽马射线望远镜，我们可能会发现它们也在伽马射线中发光。
我们了解在许多其他星系中产生气泡的过程。在某些情况下，气泡的起源可以追溯到巨大的黑洞——通常具有数十亿个太阳的质量——它锚定着星系的中心。当来自星系的物质落向黑洞时，它开始像浴缸排水的水一样旋转。这种滚烫的气体和尘埃漩涡产生强烈的磁场，这些磁场为辐射和宇宙射线粒子射流提供动力，这些射流可能会使气泡膨胀。
我们知道银河系中心也有一个超大质量黑洞，但我们从未观察到从其核心射出的强烈辐射射流。（如果存在射流，它也没有指向我们，谢天谢地。）因此，我们没有直接证据表明这个过程正在使费米气泡膨胀。
另一方面，一大片气体云——麦哲伦星流——位于银河系中心上方的高处。如果辐射射流指向那里，它将暂时从云中的原子中剥离电子。当电子和离子重新结合时，复合会产生辐射。
2013年，天文学家发现了完全是这样的情况。也许在几百万年前，银河系中心黑洞发生了一次强烈的吸积事件——一个高速旋转的滚烫下落物质漩涡，产生了高能射流和紫外线辐射。反过来，辐射会撞击麦哲伦星流中的电子。这个事件也可能产生了费米气泡。
或者，一些星系的气泡是其中心附近强烈恒星形成的副产品。在恒星育儿所中，恒星形成各种不同的尺寸。恒星的质量越大，其核燃料燃烧得越快。当燃料耗尽时，恒星的核心坍缩并释放出巨大的能量，将恒星的外层撕裂，发生超新星爆发，留下中子星或黑洞。总的来说，这些超新星爆发会产生粒子风，这些粒子风可以使星系中心周围的气泡膨胀。
我们知道银河系中心也一直是恒星强烈形成的区域。中心黑洞周围的数千颗恒星只有大约六百万年的历史——在宇宙时间里只是蹒跚学步的幼儿。然而，如果质量极大的恒星也在这个相同的恒星育儿所中形成，那么六百万年就足够它们已经作为超新星爆发了。这些超新星爆发会从银河系中心驱动出一阵热气体风——这阵风可能强大到足以使气泡膨胀。
照亮星系的历史
费米气泡的故事与银河系的历史和演化紧密相连。最近的观测表明，这些气泡大约在250万至400万年前形成，可能有助于揭示银河系中心黑洞是如何形成和演化的。这些气泡还可以教会我们关于黑洞如何吸入附近物质的物理学，以及高能宇宙射线如何与星际气体相互作用。虽然像费米气泡这样的结构存在于其他遥远的星系中，但在银河系中有一个例子可以让我们近距离研究这些系统。
为此，我们正试图使用整个电磁频谱来观测气泡。关于气泡最令人惊奇的事情之一是，它们在伽马射线中如此巨大和明亮，但在其他频率下几乎不可见。来自普朗克航天器的新数据正在提供重要的线索，该航天器已经绘制了整个天空的微波辐射图。暗物质粒子探测卫星计划于2015年末发射，它将绘制比我们迄今为止用费米大面积望远镜看到的更高能量的伽马射线图。
我们也在尝试绘制X射线中的气泡图，尽管我们受到当前技术的限制。这些气泡是耸立在星系之上的巨大结构，但目前在轨道上运行的几乎所有X射线卫星都具有狭窄的视场。这项挑战类似于用吸管窥视山脉来绘制地图。我们期待2017年发射的Spectrum-Roentgen-Gamma卫星，该卫星旨在对中等能量X射线进行新的天空普查。
从伽利略发现银河系是由恒星组成的，到天文学家意识到我们的星系只是宇宙中数十亿个星系中的一个，经历了三个世纪。如果幸运的话，我们将在比这更短的时间内理解费米气泡的真正意义。
伽马射线之眼
地球大气层阻挡了伽马射线，伽马射线的能量是可见光的数十亿倍，因此天文学家测量它们的一种方法是升到大气层之上。费米伽马射线太空望远镜是有史以来发射的最强大的伽马射线天文台。它包含两个主要仪器：一个爆发监视器（未显示），用于在整个天空搜索瞬态伽马射线爆发的证据；以及大面积望远镜（LAT），它是发射过的最灵敏、分辨率最高的伽马射线探测器。
LAT与任何光学望远镜都截然不同：它没有镜子，没有透镜，也没有焦平面。相反，它的运作更像一个粒子物理实验。每个入射的伽马射线都会从望远镜中的原子核上反冲，并转化为一个电子及其反物质对应物——正电子。然后，这些粒子通过车载探测器和量热计进行跟踪，量热计测量能量。地面上的进一步数据分析会过滤掉背景噪声，并揭示原始伽马射线的方向和能量。大多数望远镜一次只能看到天空的一小部分，天文学家花费大量精力来决定要观测天空的哪些部分。望远镜时间的竞争非常激烈，通常在预计不会有任何有趣事物的天空大片区域进行观测是不可行的。与此形成鲜明对比的是，费米的视场覆盖了天空的五分之一，这使其能够每三个小时观测天空的广阔范围。这种全天候覆盖使天文学家有机会找到像费米气泡这样大型、微弱的惊喜。——D.F.、M.S. 和 D.M。