在晴朗的夜晚，远离城市灯光，你可能会看到一个美丽的结构横跨天空：我们的家园星系，银河系。自古代以来，人类就对银河背景下深色的尘埃云感到惊叹。仅仅在四个世纪前，伽利略将他的望远镜指向天空，发现银河是无数恒星混合的光芒。
银河系的结构再次被修正。利用一种全新的望远镜，我们和我们的合作者发现了巨大的结构，它们高耸于银河系中心之上，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。
我们尚不知道是什么产生了这些费米气泡，正如我们所称呼的那样。但它们似乎是由银河系中心深处发生的神秘过程驱动的——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，而剧烈的超新星则像水仙花一样从富饶的恒星育儿所中绽放出来。
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像许多意想不到的发现一样，我们几乎是偶然发现了费米气泡。但现在我们已经发现了它们，我们已经开始细致地绘制出它们的特征。我们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。
意外的发现
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）试图利用威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的数据，更好地了解宇宙的起源，当时WMAP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预定目标——来自宇宙大爆炸微弱余辉的微波——的信号。尘埃本身就很有趣，但对于宇宙学家来说，它就像挡风玻璃上的污迹，需要建模并从数据中减去。
尘埃并不是我唯一需要去除的东西。由于天文学家被迫从银河系内部观测宇宙，我还必须减去由高能粒子（如电子）穿过银河系产生的微波信号。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，但当我试图在银河系内部减去它时，总会剩下一些东西。我将这种剩余的信号命名为“微波霾”。
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。科学家们预计，引力会将暗物质拉向银河系中心。在银河系核心密集的暗物质云中，暗物质粒子偶尔会碰撞，或许会在这个过程中产生电子和正电子。
即使我们看不到暗物质，我们也应该能够看到这些粒子。当它们在银河系中心错综复杂的磁场中扭曲和转动时，它们应该会发出所谓的同步辐射——带电粒子被迫转弯时发出的明亮尾气。
我们看到的微波霾可能是暗物质产生的同步辐射的人工产物。但我们如何才能确定呢？产生同步微波的相同电子还会产生额外的后果：它们也应该与现有的光子碰撞，并在称为逆康普顿散射的过程中将这些光子加速到极高的能量。
很快，人们达成共识：如果微波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找到高能伽马射线。我们转向了费米伽马射线太空望远镜，该望远镜旨在研究太空中的伽马射线。
来自费米卫星的数据于2009年8月24日向公众发布。到那时，我已经成为一名教授，我的时任博士后研究员格雷戈里·多布勒和我赶紧制作了我们第一张银河系伽马射线图。经过几个漫长的日日夜夜，我们发现银河系内部存在明显的伽马射线过量，这似乎与微波霾相匹配。我们和我们的合作者迅速提交了一篇论文，论证这些信号是相关的。我们断言，它们都可能是由银河系中心的高能电子群引起的，但我们没有推测电子的来源。
下一个谜题花了一段时间才解开。2009年10月，我在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——信号骤降的清晰边界。在天文学中，尖锐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，尖锐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，那么下降应该是平滑的——随着你向远离银河系中心的方向看去，信号会逐渐减弱——因为暗物质湮灭已经持续了数十亿年。任何尖锐的边缘都早已消失殆尽。
在第一批费米数据中，边缘看起来非常粗糙，我们只是将它们归咎于信号中的噪声并忽略了它们。现在它们又出现在新数据中，我开始怀疑起来。我把它们展示给我当时的研究生苏萌和特蕾西·斯拉特耶，他们都同意这些边缘是真实的。然后苏萌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，我们完全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、斯拉特耶和我向《天体物理学杂志》提交了一篇论文，描述了这些结构，并为了纪念费米望远镜，将它们命名为“费米气泡”。
气泡制造者
尽管没有人预料到会发现由高能宇宙射线组成的气泡从银河系上方伸出数万光年，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。
我们理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一个巨大的黑洞——通常质量是太阳的数十亿倍——它锚定着星系的中心。当来自星系的物质落向黑洞时，它开始像浴缸中排水的水一样旋转。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喷流提供动力，这些喷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喷射出强烈的辐射喷流。（如果存在喷流，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高处。如果辐射喷流指向那里，它会暂时剥离云中原子的电子。当电子和离子重新结合时，它们会产生所谓的复合辐射。
天文学家已经发现了这一点。也许大约一百万年前，银河系中心黑洞发生了一次强烈的吸积事件——吸积产生了高能喷流和紫外线辐射，击打了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，像附近的M82星系这样的星系，它们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大小。恒星质量越大，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，形成超新星爆发，留下中子星或黑洞。这些超新星会产生粒子风，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——在宇宙时间尺度上只是婴儿。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，那么六百万年对于它们来说已经足够长，可以作为超新星爆发。这些超新星会驱动热气体风从银河系中心吹出——这种风可能强大到足以使气泡膨胀。
下一步
正如我们所见，费米气泡的故事与银河系的历史和演化紧密相连。气泡还可以教会我们关于黑洞如何吸引附近物质以及高能宇宙射线如何与星际气体相互作用的物理学知识。尽管像费米气泡这样的结构存在于其他星系中，但气泡使我们能够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，它们在伽马射线中巨大而明亮，但在其他频率中几乎不可见。我们希望来自普朗克航天器的新数据——它已经绘制了整个天空的微波辐射图——将提供重要的线索。我们也在尝试绘制气泡的X射线图，尽管我们受到当前技术的限制。气泡是高耸于银河系之上的巨大结构，但几乎所有的X射线卫星都具有狭窄的视野。这个挑战类似于通过纸巾筒观察来绘制山脉。
在伽利略发现银河系是由恒星组成的三个世纪后，天文学家才理解我们的星系只是遍布宇宙的数十亿星系之一。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。
*勘误（2014年9月3日）：由于本句中的编辑错误，M82被称为附近的星系；它是一个星云。作者打算用M82作为例子，M82是一个星系。