銀河系中央強磁場來源何處？

二十世紀三十年代，天文學家就開始討論銀河系廣闊的星際空間存在磁場的可能性。四十年代起，發現了一些確鑿的證據，表明星際空間確實存在磁場。但是，對星際磁場的較可靠的測量卻是六十年代以後的事。觀測表明，宇宙線基本上是各向同性的。但宇宙線來源於銀河系，而銀河系裡的天體的分布並不是各向同性的，如果認為銀河系裡存在磁場，這種矛盾就可以解決。宇宙線的主要成分是帶電的原子和α 粒子。磁場的存在能使這些帶電粒子改變運動方向。由於星際空間的磁場形狀很複雜，本來可能是分布不均勻的宇宙線，到達地球時就可能成為各向同性了。

銀河系的背景射電輻射具有非熱輻射的性質。最合理的解釋是，背景射電輻射是相對論性電子在磁場中運動時產生的同步加速輻射。有些瀰漫星雲具有纖維狀結構，表明那裡存在著磁場。許多瀰漫星雲呈扁長形，而且大多同銀道面相平行，這說明銀河系裡存在著平行於銀道面的磁場。1949年，J.S.霍爾等人發現，很多恆星的光具有微小的偏振。一般說來恆星越遠，星光偏振度也越大。這種星光的偏振不是由星際氣體而是由星際塵埃造成的。星際塵埃呈長條形，而且排列有規律，才會引起星光偏振，否則，即使每粒塵埃可引起星光偏振，但平均效果也會互相抵消。這些長條形的塵埃之所以有規律地排列，就是磁場作用的結果。

澳大利亞阿德萊德大學(the University of Adelaide)參加的一項國際研究項目顯示，銀河系中心磁場強度至少是銀河其他星系的10倍。這個發現意義重大，因為它向天文學家提供了一個磁場的下限值，而磁場的下限值是計算一系列天文數據中一個非常重要的因素。來自德國馬普核子物理所(Max-Planck-Institute for Nuclear Physics)、阿德萊德大學、莫納什大學(Monash)和美國的研究人員在《自然》(Nature)上刊登了這個發現。當這個研究項目在莫納什大學和阿德萊德大學的化學物理系啟動的時候，羅蘭·克羅克(Roland Crocker)博士和大衛·瓊斯(David Jones )博士都投身研究該項目。這兩位物理學家現在都在德國海德爾堡(Heidelberg)的馬普核子物理所工作。瓊斯博士在阿德萊德大學獲得了博士學位(PhD)，在導師雷蒙德·普魯塞熱(Raymond Protheroe)博士的指導下，主修銀河中心磁場學。據了解，普魯塞熱博士是阿德萊德大學物理學副教授，而克羅克博士曾是該大學的博士後研究員。

這項研究向各天文學家的觀點發起了挑戰。在過去的30年里，人們還無法完全確定銀河系中心磁場的準確值。自從幾乎所有的外太空都受到磁化以來，該磁場的強度就納入了大部分的天文學計算中。這項發現將影響各種磁場理論，從恆星形成理論到宇宙論，如果銀河系中心磁場比我們想像的還強，這將引發諸如在早期宇宙的磁場還相當微弱的時候，它是如何發展到如此強大?這樣的一些新問題。眾所周知，超過10%的銀河系磁場能量都集中在了不足銀河系0.1%的體積中，而這正位於銀河系中心。」銀河不斷發出因高能粒子碰撞而產生的無線電波和伽馬射線，在銀河系中心處亮度最高。知道磁場位置在那兒，這能夠幫助我們更好地了解無線電波和伽馬射線的來源。」

近年來，馬普天體物理所(MPA)的科學家使用獨特的全新全天圖以空前的精度測繪了銀河系的磁場結構。具體說來，這張天圖描繪的是名為法拉第深度的物理量，它與視線方向的磁場強烈相關。為了繪製這張天圖，人們使用了新穎的圖像重構技術合併了超過41000次測量的數據。這項工作是來自馬普天體物理所(MPA)精於信息場理論這一新學科的科學家以及大型國際射電天文學小組的合作項目。新的天圖不僅揭示出了銀河系大尺度的磁場結構，還給出了小尺度的特徵，這為銀河系氣體的湍動提供了信息。包括我們銀河系在內的所有星系都被磁場瀰漫著。雖然進行了大量的研究，銀河磁場的起源仍舊是未知的。不過一種理論假設，它們是由將機械能轉化為磁場能的發電機過程構築起來的。類似的過程發生在地球和太陽內部，廣義來說也是通過腳蹬為自行車燈供能的部件的原理。通過揭示整個銀河系內的磁場結構，新的天圖為揭示銀河發電機機制提供了重要線索。

測量宇宙磁場的一個手段是使用名為法拉第旋轉的效應，150多年之前人們就已經知道了這一點。當偏振光穿過磁化介質的時候，偏振面會發生旋轉。旋轉量取決於磁場的強度與方向。因此觀測這樣的旋轉就可以來研究介質磁場的性質。為了測量我們銀河系的磁場，射電天文學家觀測來自遙遠射電源的偏振光，這樣的輻射在前往地球的過程中要穿過銀河系。在幾個波段上測量輻射的偏振度，就可以推測出法拉第旋轉的數量。每次測量只能提供銀河系某個方向上的信息。為了通過法拉第測量來描繪銀河系磁場的完整圖像，必須要觀測分布在全天各個地方的輻射源。一個大型國際射電天文學小組提供了來自26個不同項目的數據，包括總計41330次測量。平均來說，完整的輻射源表在每一平方度的天區內都大約有一個射電源。

哪怕有了如此多的數據，都只能做到零星覆蓋。目前人們對剩下的大片天區(尤其是在南天)只進行過相對很少的幾次測量。因此為了獲取全天相對真實的天圖，人們必須要對已有數據點進行插值。這裡就出現了兩個疑難。首先，相對測量精度變化很大，而更精確的測量應該佔據更大的權重。另外單獨一個測量數據點可以提供關於周邊環境多大範圍的可靠信息也是未知的。因此這一信息必須直接從數據本身推測出來。另外還有一個問題。由於高度複雜的測量過程，測量的不確定性本身也是不確定的。因此一小部分(但是也是相當一部分)數據的實際測量誤差要比天文學家宣稱的大上10倍還多。如果不改正這一效應，這些局外點估計到的精度會大大扭曲天空圖的模樣。

為了解決這些問題，MPA的科學家開發了名為「延展臨界濾鏡(extended critical filter)」的圖像重構新演算法。為了開發這一演算法，小組使用了名為信息場理論的新學科提供的工具。信息場理論結合了應用於場量的邏輯學和統計學手段，是處理不精確信息的強有力工具。這一手段通用性很強，可以用於不同的圖像以及信號處理，它不僅僅局限於天文學，也可以用於醫藥、地理等其他學科。除了詳細的法拉第深度圖(圖1)之外，這一演算法還給出了不確定性的天空分布圖(圖2)。不確定性在銀盤面以及南天極附近觀測較少的區域尤其大。為了更好地突出銀河系磁場的結構，圖3中銀盤的影響已經被去除了，提高了銀盤上下方較弱結構特徵的可見度。這不僅揭示出了圖象中央顯著的銀河系氣體盤水平帶，還顯示出銀盤上下方磁場方向看上去是相反的。類似的方向變化還發生在圖中的左右兩側，對應銀河系中心兩旁。

某種銀河系發電機理論的模型預言過這樣的對稱結構，這得到了新天圖的支持。在這一理論中，磁場主要以環狀或螺旋狀平行於銀盤面。螺旋的方向在銀盤上下是相反的(見圖3)。法拉第圖中所見的對稱性源自我們在銀盤內所處的位置。除了這些大尺度結構，圖中也可以看到一些小尺度結構。它們與銀河系高度活躍的氣體旋渦和團塊相關。作為副產品，新的天圖繪製演算法給出了對這些湍動結構尺度分布的度量，也就是所謂的功率譜。與典型的湍動系統一樣，大尺度結構比小尺度更為顯著。功率譜可以直接用來與銀河系內湍動氣體以及磁場動力學的計算機模擬結果相比較，這樣可以更仔細地檢驗銀河系發電機模型。新的天圖不僅對於銀河系研究來說很引人注目，未來對河外星系磁場的研究也會用到這張圖來計算銀河系的污染。預計在接下來幾年到幾十年的時間裡，下一代射電望遠鏡如LOFAR、eVLA、ASKAP、meerkat以及SKA將問世，人們會使用它們得出對法拉第效應的新測量。新的數據將立即更新法拉第天空的圖像。也許這張天圖會為銀河系磁場隱匿的起源指明方向。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

本站內容充實豐富，博大精深，小編精選每日熱門資訊，隨時更新，點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧！

請您繼續閱讀更多來自 極客公園 的精彩文章: