清华团队首次直接证明：超新星爆炸“吹的泡泡”，驱动星系湍流

澎湃新闻记者 程婷

澎湃新闻记者从清华大学获悉，2026年9月17日，清华大学天文系主任李菂团队在《自然·天文》（Nature Astronomy）在线发表研究，利用“中国天眼”FAST与美国卡尔·央斯基甚大阵列（JVLA）联合观测仙女座星系（M31），识别118个中性氢超泡，并从这些超新星爆炸“吹出的泡泡”出发，直接估算超新星长期动能输入，证明其足以补偿M31中中性氢湍流的耗散。

李菂表示，该研究成果首次直接证明，超新星爆炸（指某些恒星在演化末期经历的一种剧烈爆炸现象）是驱动星系尺度湍流的主要能量来源。

普通读者该如何理解这一研究成果的价值？李菂在接受澎湃新闻记者采访时，用超新星爆炸“吹泡泡”作通俗类比：大质量恒星死亡爆炸，把周围原子氢吹成空腔和壳层；壳层膨胀、扰动、混合并反馈重元素，推动下一代恒星形成。地球包括太阳系本身位于“本地泡”中，该结构被认为由过去若干次超新星爆发塑造。M31是地球所在的银河系的近邻旋涡星系，研究它相当于借“邻居的全景”更好了解人类自身的银河家园：星际湍流如何被恒星反馈维持，关系到气体耗散、恒星诞生节奏，也间接关系地球所处星系环境的长期变化。

中国天眼发现仙女座超泡驱动星系湍流。清华大学 供图

仙女座的118个超泡

清华团队选择距离地球约250万光年的仙女座星系（M31）进行研究，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。

超泡并不是新概念。

1979年，天文学家Carl Heiles在银河系中性氢巡天的图像中辨认出数十个壳层，其中一些正在膨胀。这些延展数百乃至上千光年的结构，表明星际气体曾受到巨大的能量注入。最大的“超壳层”所需能量，甚至难以由单次超新星爆炸解释。

“恒星如何在如此广大的空间中留下影响”，成为学界此后数十年持续研究的问题。

清华团队介绍，随着理论与观测的发展，成群大质量恒星的作用逐渐清晰。1987年，天体物理学家McCray与Kafatos建立模型，说明恒星风和接连发生的超新星爆发，能够在数千万年中推动周围气体，形成巨大的空腔与膨胀壳层，即“超泡”。

此后，类似结构不断在其他星系中被发现。2023年的一项研究利用韦布空间望远镜，在NGC 628（双鱼座的Sc型漩涡星系）中识别出近1700个反馈气泡。恒星如何塑造这些结构，已有越来越丰富的观测与理论解释。

星际“湍流”受何驱动

然而，这些结构能否反过来帮助我们认识恒星对整个星系的作用，仍值得进一步追问。

清华团队介绍，星际气体的运动并不限于壳层的膨胀。在多种空间尺度上，气体普遍存在复杂运动，即“湍流”。它改变气体的分布，影响气体在引力作用下聚集和形成恒星，进而参与调节星系的演化。

早在20世纪40年代，天体物理领域的科学家von Weizsäcker和Chandrasekhar等人就开始将湍流思想引入星际空间。因此，如何维持这种遍布星系的气体运动，是一条比超泡发现史更为久远的研究线索。

20世纪90年代末，数值模拟表明，即使有强磁场，超声速湍流仍会迅速损失能量。对于星系气体，约千万年的典型耗散时间远短于星系的演化时间，这意味着湍流必须持续获得能量。研究者考察了超新星、星系旋转和气体流动等多种可能机制。2004年，Mac Low与Klessen在综述中提出，超新星很可能在星系恒星形成区中发挥主要作用。然而，超新星爆炸足够强大，并不直接等于它能够长期维持气体的运动。

清华团队解释，困难同时来自能量与时间。

“过去的研究通常依据恒星形成率推算超新星释放的能量，再假定其中一定比例转化为气体动能，传递效率难以确定。另一方面，湍流一边获得能量，一边持续耗散，而望远镜无法连续追踪数千万年的演化。”李菂指出，直接检验所需要的，是从气体当前的状态，同时约束它实际获得的动能与能量输入持续的时间，进而将长期平均的输入速率与耗散速率进行比较。

验证超泡驱动星系湍流

李菂介绍，被研究近半个世纪的超泡，恰好能够同时提供这两项约束。

“壳层本身就是受到恒星活动推动的星际气体，其尺度、膨胀速度和环境密度可用于估算实际传入气体的动能；结合膨胀时间，便可求得长期平均的输入速率。”李菂表示，研究团队由此将超泡与湍流两条延续数十年的研究线索联系起来：用前者测量超新星的长期动能输入，直接检验它是否足以补偿后者的能量耗散。

清华研究团队解释，选择距离地球约250万光年的仙女座星系（M31），是因为它既足够近，可以分辨大型超泡；又能从外部观测整个星系盘。而“中国天眼”FAST与美国卡尔·央斯基甚大阵列（JVLA）的联合观测，同时保留了壳层的精细结构与弥散的大尺度气体辐射，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。

团队研究人员据此估算超泡的平均动能输入速率，并在星系旋转投影影响较小的区域，分离不同速度成分、扣除热运动贡献，独立估算湍流耗散速率。结果显示，两者不仅数值相当，随星系半径的变化趋势也相符，表明星团中的连续超新星爆发足以维持M31中观测到的中性氢湍流。长期以来主要依赖间接估算的判断，由此获得了气体结构与运动所提供的直接定量支持。

“恒星塑造了超泡，而超泡的运动又使恒星对星系的长期影响能够被检验。”李菂指出，研究利用当前可观测的气体结构，约束跨越数千万年的能量传递，为理解恒星反馈如何影响星系演化提供了依据。在不同气体环境和恒星形成活动的星系中开展同类比较，将有助于进一步确定超新星反馈的作用，以及它如何影响后续的恒星形成。

李菂还表示：“天体物理中的湍流研究，其观测表象往往很少超出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JVLA对精细结构的分辨能力结合起来，希望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。”

该研究由李菂团队牵头，联合中国科学院国家天文台及国际合作者完成，清华为论文第一署名单位。相关研究成果以“Supernova origin of galactic turbulence revealed by superbubbles”为题在线发表。

本期编辑 周迹