近日，由云南大学陈丙秋教授、李广兴副教授，北京师范大学苑海波教授和国家天文台向茂盛研究员等人组成的研究团队，在银河系结构研究领域取得新进展。他们利用国家天文台负责运行的郭守敬望远镜LAMOST光谱数据，并结合欧洲空间局盖亚卫星Gaia的巡天数据，首次对银河系中已知最大的超泡（supperbubble）结构—巨型椭圆空腔（Giant Oval Cavity）进行了精确的动力学测量与物理性质研究，揭示了其作为一个大尺度、长寿命、缓慢膨胀的准稳态超泡的本质。该研究成果于近日在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。
恒星反馈是驱动星系演化的关键机制之一，韦布空间望远镜JWST在遥远星系中观测到的大量泡（bubble）结构，正是这一过程的直观体现（图1）。这些被称为泡或超泡的结构，源自大质量恒星的强烈星风及其生命末期超新星爆发所产生的巨大能量，共同将周围的星际物质推开，形成尺度各异的空洞。其中，超泡直径可达数千光年，通常由多代恒星共同塑造，可视为星系中能量与物质循环的纪念碑。然而，受限于观测技术，天文学家对这类结构的物理性质、演化历史与维持机制仍了解有限。在银河系内，一个典型的例子是本地泡——我们的太阳系正位于其中。过去数十年间，天文学家已对本地泡开展了系统研究，确认其直径约600光年，可能由近千万年内约20次超新星爆发共同塑造，然而，若将视线从本地移向银河系更深处，我们的知识便显得捉襟见肘。尤其是对于英仙臂上直径超过3000光年的巨型椭圆空腔这类更为巨大的结构，其本质状态更是一个未解的谜团。
研究团队结合LAMOST的大规模光谱数据和Gaia的高精度天体测量数据，筛选出369颗非常年轻的O型及早期B型星，这些恒星是追踪银河系气体结构和动力学特征的理想示踪体。通过精确测定这些恒星的三维位置和三维空间运动速度，研究人员发现，位于巨型椭圆空腔边缘的年轻恒星，表现出显著的一致性运动模式：它们以约6.2 km/s的速度从空洞中心向外扩张（图2）。研究团队由此计算出该超泡的膨胀时标则长达约8000万年，表明其是一个持续了漫长岁月的古老结构。进一步的分析估算出该超泡在银河系湍流星际介质中的生存时标可达约2.5亿年，而其内部预期发生的超新星爆发间隔仅为约10万年。这些关键时标满足“超新星爆发间隔 < 银河系剪切时标 < 超泡生存时标”的关系。这意味着，超泡内部的超新星爆发能够持续、快速地为其补充能量和动量，足以抗衡星际介质的环境压力以及银河系较差旋转带来的剪切破坏效应，从而维持这个巨大空洞结构的长期存在和缓慢膨胀。
图1. JWST拍摄的“幻影星系” NGC 628图片 (Image credit: NASA/ESA/CSA/Judy Schmidt)
图2. 巨型椭圆空腔周围年轻恒星的膨胀运动示意图。图中，洋红色箭头代表的星群整体速度，可分解为共同的运动和一对方向相反的膨胀分量（红色箭头），清晰地展示了空洞的膨胀现象。背景的尘埃分布灰度图勾勒出超泡轮廓。本图摘自论文成果图。
“我们的研究表明，巨型椭圆空腔是一个处于动态平衡中的准稳态超泡，”论文共同通讯作者、云南大学李广兴副教授解释道，“超新星像接力赛一样，不断为这个宇宙气泡充能，使其在银河系的风吹雨打（剪切和湍流）中保持了宏观结构的稳定。这为解释JWST在星系NGC 628中发现的幻影气泡（Phantom Bubble）的起源与物理机制，提供了关键的银河系本地观测依据。”
“这项工作生动展示了大规模光谱巡天如LAMOST与高精度天体测量如Gaia相结合所产生的巨大威力，”论文第一作者以及共同通讯作者、云南大学陈丙秋教授补充道，“它使我们能够以前所未有的精度，在三维空间中对银河系这类巨大结构进行解剖，并理解其形成和维持的物理机制。”
此项研究不仅确认了巨型椭圆空腔作为银河系标杆性巨大超泡结构的物理本质，深化了我们对恒星反馈如何塑造星际介质和星系结构的认识，也为理解其他星系中观测到的大量类似泡结构的起源和演化提供了重要的银河系本地范例。
云南大学陈丙秋教授为论文第一作者，陈丙秋教授与李广兴副教授为共同通讯作者。合作团队包括北京师范大学苑海波教授，中国科学院国家天文台向茂盛研究员和陈品健同学，英国卡迪夫大学周吉璇同学，以及英国赫特福德大学Martin Krause教授和Ashley Coombs博士。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65591-5
附件下载：