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我们知道，行星的磁场相当于其表面一层无形的保护膜，它可以保护行星不受恒星风粒子流的影响。地球也有自己的磁场，可以保护地球免受太阳风的侵袭。太阳风是太阳活动产生的高速粒子流，会破坏行星的大气层，进而影响到生命的发展进程，而地球的磁场正是起到了关键的作用！
太阳系除了地球以外，其它行星也或多或少有自己的磁场，但是火星的磁场几乎已经消失，使得这颗红色星球无时不刻没有”沐浴“在热烈的太阳风之下，生命存活的可能几乎不存在。而木星的磁场是地球的50-100倍，土星也有一个简单的具有对称形状的内在磁场，比地球的磁场微弱一点 ，土星的磁场是地球的17-34倍，其它行星也存在着大小不一的磁场。既然行星有磁场昂，那么太阳系甚至是银河系是否有磁场呢？答案是有的，银河系的磁场是什么样的呢？
银河系的磁场
你知道吗？研究表明其实银河系也有自己的磁场。但是与地球相比，它非常弱，甚至要弱几千倍。即便如此，科学家依然希望了解更多关于它的信息，因为它可以告诉我们关于恒星形成、宇宙射线和许多其他天体物理过程的信息。
不久前来自澳大利亚科廷大学和联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的一组天文学家一直在研究银河系的磁场，最后他们发表了最全面的银河系磁场三维测量目录。该团队与欧洲无线电望远镜LOFAR(即低频阵列)合作。LOFAR的工作频率在250兆赫以下，它由许多天线组成，分布在欧洲1500公里的范围内，其核心在荷兰。该小组汇集了迄今为止最大的关于磁场强度和脉冲星方向的目录。有了这些数据，他们就能计算出银河系的磁场强度随着距离螺旋臂所在的星系平面的距离而减弱的关键证据。
银河系磁场的测量
据科学家表示，他们使用脉冲星来有效地探测星系的三维磁场。脉冲星分布在整个银河系，银河系中介入的物质会影响它们的无线电波发射。换句话说，我们星系中脉冲星和我们之间的自由电子和磁场会影响脉冲星发出的无线电波。
当脉冲星的无线电波在星系中传播时，由于其间的自由电子，它们会受到一种叫做弥散效应的影响。这意味着高频无线电波比低频无线电波到达得更早。这两者之间的差异被科学家称为“色散测量”或DM。DM的值可以告诉科学家在我们和脉冲星之间有多少自由电子。如果DM值更高，那就意味着脉冲星离我们更远，或者星际介质的密度更大。
当然，这只是测量银河系磁场的因素之一，另一个测量方法涉及到电子密度和星际介质的磁场。我们知道脉冲星的辐射通常是极化的，当偏振光穿过带有磁场的等离子体时，旋转平面就会旋转。这被称为法拉第旋转或法拉第效应。射电望远镜可以测量这种旋转，这种测量方法被称为法拉第旋转测量(RM)，它可以告诉我们自由电子的数量和平行视线的磁场强度。绝对RM越大，意味着更多的电子数目或更强的场强，而这是由于距离或朝向星系平面的更大距离造成的。
通过测量之后，科学家有了这些数据，现在研究人员就可以通过旋转测量值除以色散测量值，估算出银河系对星表中每颗脉冲星的平均磁场强度。这些大量脉冲星的测量数据使我们能够以三维方式重建银河系电子密度和磁场结构的地图。
那么，有人会问将银河系的磁场结构绘制成3D图像有什么好处呢？
我们知道，银河系的磁场影响着各种不同强度和距离尺度的天体物理演化过程，而磁场决定了宇宙射线的路径。因此，当天文学家研究一个遥远的宇宙射线源时，比如一个活动星系核(AGN)，了解磁场的强度可以帮助他们理解他们的研究对象。
同样地，星系的磁场也在恒星形成中起作用。虽然这种原理还没有被完全理解，但磁场的强度可能会影响分子云的演化。科学家表示，在更小的尺度上，磁场在恒星形成过程中起着关键作用，分子云中的磁场太弱或太强，可能会阻止云坍缩成恒星系统，3D磁场演化结构可以帮助科学家更加多方位地了解磁场在恒星演化过程起到的作用。
据了解，科学家利用澳大利亚的默奇森·怀德菲尔德阵列来绘制南部天空的磁场，并对北部天空中137颗脉冲星进行了观测，结果将现有RM测量的平均精度提高了20倍，他们还表示，总的来说，这项研究所得出低频数据提供了有关银河系磁场三维结构的宝贵信息。
目前世界上最大的射电望远镜目前正处于计划阶段。它被称为平方公里阵列(SKA)，将在澳大利亚和南非建造。它的接收站将从其中心核心向外延伸3000公里。它巨大的体积和接收器之间的距离将为我们提供天文学中最高分辨率的图像。科学家表示未来的工作将集中于利用SKA望远镜进行科学研究，该望远镜目前正进入计划阶段的最后阶段。SKA的出现将彻底将帮助我们绘制一份详细的银河系结构地图，彻底改变我们对银河系的理解，尤其是它的磁场，届时银河系的磁场将无处藏身！
它的作用就是可以帮助我们进行科学研究；还可能跟许多星球形成的原因有关系，帮我们搞清楚其中的奥妙；星球星系的运动路径就是由磁场所决定的；还可以让我们了解到黑洞是如何产生的。
磁场可以理解为一个能量区域，并没有实质存在的原子或分子，但毫无疑问，磁场是客观存在的。磁体周围存在磁场，地球也有地磁场。磁场可以作为磁体之间的相互作用的一种媒介，可以让磁体远距离发生相互作用，或排斥，或吸引。磁场与电场是相互转化的，线圈切割磁力线可以产生电流，这是发电机的工作原理。而通电的线圈也可以产生磁场，通过磁场的吸引和排斥左右，让缠绕了线圈的转子产生运动，这是电动机的工作原理。
银河系中首次发现超强磁场新天体
银河系中首次发现超强磁场新天体，这一新发现为搜寻低频暂现源打开了一扇新的窗口。有助于科学家们全面了解恒星的演化和死亡。 银河系中首次发现超强磁场新天体。
深邃浩瀚的星空，充满了太多科学奥秘，人类探索的脚步从未停歇。通过分析平方公里阵列（SKA）低频先导望远镜的巡天观测数据，中外天文学家首次在银河系发现一颗具有超强磁场的新天体，距离太阳系约4200光年。
27日，国际权威期刊《自然》（Nature）杂志在线发表了这项研究成果。
平方公里阵列（SKA）是由全球十多个国家合资建造、世界最大的综合孔径射电望远镜，因接收总面积约“1平方公里”而得名，于2021年7月正式启动建设。在SKA建成前，有几个先导望远镜已经在运行。其中，低频先导望远镜“默奇森宽场阵列（Murchison Widefield Array，MWA）”位于澳大利亚。
中国科学院上海天文台科研人员张翔与澳大利亚合作者、科廷大学国际射电天文研究中心（ICRAR-Curtin）的Hurley-Walker博士等中外科研人员，通过分析MWA的巡天观测数据，意外地发现一颗位于银河系内具有超强磁场的新天体—一个具有异常缓慢周期性辐射的射电暂现源。
据张翔介绍，这颗暂现源于2018年初出现，其爆发周期为18分钟左右，比已知最长的脉冲星爆发周期长9倍，每次爆发持续30-60秒，也包括短时标
这一发现是人类在银河系银道面区域，首次探测到的长周期暂现源，为搜寻低频暂现源打开了一扇新的窗口。“如果能继续探测到更多具有类似特征的暂现源，并揭示其物理性质，就意味着在银河系内存在一类具有超强磁场的长周期星体，这将有助于人类全面了解恒星的演化和死亡。”张翔说。
这一超强磁场新天体的发现，得益于高灵敏度的SKA低频先导望远镜，以及根据SKA数据特点定制的SKA计算集群。张翔说：“这个项目的原始数据量巨大，数据处理中间过程产生的数据量更大，超过1000万个图像文件，处理过程极其复杂，对数据处理的要求极高。”
随着这一超强磁场新天体的发现，以平方公里阵列（SKA）及其先导望远镜为代表的新一代射电望远镜，正以更深入更广泛的观测能力，迎来射电暂现源研究的新时代。目前，中外研究团队正利用“默奇森宽场阵列（MWA）”开展系统性的搜寻，以发现更多这种类型的星体，并建立一个大样本进行统计研究，从而填补磁星研究的空白。
银河系还存在多少新天体？科研人员又有了新发现。
近日，中科院上海天文台张翔助理研究员与她的澳洲合作者、来自科廷大学国际射电天文研究中心的Hurley-Walker博士等通过分析SKA先导望远镜的观测数据，发现了一个具有异常缓慢周期性辐射的射电暂现源。研究团队认为该射电暂现源可能是一个超长周期的磁星或拥有超强磁场的白矮星。相关研究成果在线发表于1月27日的《自然》杂志上。
这一发现为搜寻低频暂现源打开了一扇新的窗口。张翔解释，由于这是在银道面区域长周期暂现源的首次探测，如果能继续探测到更多具有类似特征的暂现源并揭示其物理性质，则意味着在银河系内存在一类具有超强磁场的长周期星体，有助于全面了解恒星的演化和死亡。
SKA将这样探索世界
国际大科学计划和大科学工程，已成为世界科技创新领域重要的全球公共产品和提升本国创新能力的重要合作平台。
平方公里阵列（Square Kilometre Array, SKA）作为一个国际大科学工程项目，是由全球多国合资建造和运行的世界最大规模综合孔径射电望远镜，集大视场、高灵敏度、高分辨率、宽频率范围等性能于一身，因接收总面积约“1平方公里”而得名。台址位于南非及南部非洲8国、澳大利亚的无线电宁静区域，已于2021年启动建设，这也是人类有史以来建造的最大射电望远镜，建成后将比目前最大的射电望远镜阵列JVLA的灵敏度提高约50倍，巡天速度提高约一万倍。
2019年，我国作为创始成员国签署《成立平方公里阵列天文台公约》，根据公约，自去年6月26日起，我国正式成为SKA天文台成员国。
这种大科学装置项目，对帮助科学家发现成果至关重要。
中科院院士、中国SKA首席科学家武向平曾介绍，SKA是下一代最先进的射电望远镜，科学研究目标包括宇宙中第一代发光天体如何形成、脉冲星搜寻和引力理论检验、星系形成与演化、暗能量性质、宇宙磁场、引力本质、生命分子与地外文明等，其中任何一个问题的突破，都将是自然科学的重大变革。
“和古时候的天文学家通常在晚上探测不同，有了这些望远镜，我们现在基本也不用值夜班了。”张翔告诉第一财经记者，因为望远镜基本上都是靠电脑操作的，望远镜在夜间也在不断地拍各种照片积累数据，而这些数据会传输到附近的超算中心，经过第一波的处理后，会再通过类似海底光缆传送到世界各地的其他中心，便于当地科学家们处理这些数据。
金叶子/摄
本次成果中，论文的第二作者、上海天文台张翔主要承担的是这项工作中的偏振校准和偏振数据分析，并制作了论文中的三幅关键图像。
她介绍道，由于该项目的原始数据量巨大，数据处理中间过程产生的数据量更大（超过1000万个图像文件），数据处理过程复杂，数据处理软件对计算集群的访存输入输出（IO）带宽、数据IO带宽、高并发任务和高并行化处理都有极高要求。
基于上述SKA偏振数据处理的特点和极高要求，上海天文台作为MWA的正式成员，利用自主研发的中国SKA区域中心原型机，联合国际SKA科学团队针对SKA重点科学目标开展了一系列科学研究。
值得注意的是，在本项研究工作中，中国SKA区域中心原型机承担了该项目部分MWA数据的计算和存储，参与了宽波段偏振数据的处理，完成了部分偏振图像的分析，并与澳大利亚SKA区域中心的计算设备共同完成了其他数据处理任务。
中国SKA区域中心原型机 金叶子/摄
上海天文台研究员、中国SKA区域中心原型机负责人安涛介绍，中国SKA区域中心原型机自2019年11月建成至今已连续两年获得中国十大天文科技进展，并被SKAO（平方公里阵列天文台）认可为“国际首台SKA区域中心原型机”，未来将为SKA先导望远镜的大型巡天项目提供计算资源和技术支持，帮助全球SKA科学家产生更多原创成果。
先导设备的作用
本次发现成果的，是SKA低频望远镜的先导设备MWA （Murchison Widefield Array），位于澳大利亚西部的默奇森射电天文台（MRO）。上海天文台作为正式成员单位参加MWA的II期运行，并获取相关数据及科学资源。
作为SKA低频望远镜的先导项目，MWA将探索宇宙再电离、河内与河外星系巡天、时域天文物理、太阳与电离层等方向的科学研究
“MWA有巡天观测模式，这是一种扫描式的观测，这些观测的数据积累下来，科学家就能做进一步数据的挖掘。”张翔介绍说，正是通过研究这些数据，他们才发现了一个具有异常缓慢周期性辐射的致密暂现源。
这颗暂现源于2018年初出现，其爆发周期约为18分钟左右，比已知的最长的脉冲星爆发周期长9倍。该暂现源的'长周期和低频波段的高偏振度均无法用已知脉冲星的理论模型和观测特征来解释，由此排除了它是一颗普通脉冲星的可能性。“我们认为它更有可能是一颗磁星（Magnetar）或者是一个拥有超强磁场的白矮星。”
中国SKA区域中心原型机 金叶子/摄
“我们正在开展系统性的搜寻，以发现更多的这种类型的星体，并建立一个大样本进行统计研究，从而填补磁星研究的空白。”张翔说。
近日，上海天文台张翔助理研究员与她的澳洲合作者、来自科廷大学国际射电天文研究中心（icrar-curtin）的hurley-walker博士等通过分析ska先导望远镜的观测数据，发现了一个具有异常缓慢周期性辐射的射电暂现源。研究团队认为该射电暂现源可能是一个超长周期的磁星或拥有超强磁场的白矮星。相关研究成果在线发表于1月27日的《自然》杂志上。
高频射电天空因超新星爆发、伽马射线暴、黑洞吸积盘耀发等暂现天体而熠熠生辉，但低频射电天空却表现得异常安静。然而，这种平静正在被打破。以平方公里阵列（square kilometre array, ska）及其先导望远镜为代表的新一代射电望远镜，正以比以往更深入、更广泛的观测能力，迎来射电暂现源研究的新时代。
上海天文台的张翔助理研究员与hurley-walker博士等通过分析位于澳洲的ska低频先导望远镜默奇森宽场阵列（murchison widefield array，mwa）的巡天观测数据，发现了一个具有异常缓慢周期性辐射的致密暂现源。这颗暂现源于2018年初出现，其爆发周期约为18分钟左右，比已知的最长的脉冲星爆发周期长9倍，每次爆发持续30-60秒左右，也包括短时标（<秒）的爆发，而在更多情况下，观察到的是比较平滑的以小时为单位演变的轮廓，在爆发期间，它是150 mhz波段南天最明亮的30个射电源之一。
科研团队在随后的光学、红外、高能观测中，均未发现它的对应体。对其射电脉冲的色散测量表明，这个暂现源位于银河系内，与太阳系的距离约4200光年。偏振测量显示出，此暂现源的线偏振度约为90%，超过了150 mhz波段中同一观测模式下的所有已知脉冲星（由于观测方法导致的平滑效应，此模式下观测到的脉冲星线偏振度不超过70%），表明该暂现源存在超强磁场。该暂现源的长周期和低频波段的高偏振度均无法用已知脉冲星的理论模型和观测特征来解释，研究人员由此排除了它是一颗普通脉冲星的可能性。这颗致密暂现源一经发现，即引起国际科学界对其性质的广泛热议。该研究团队认为，它更有可能是一颗磁星（magnetar）或者是一个拥有超强磁场的白矮星。
这一发现为搜寻低频暂现源打开了一扇新的窗口：由于银道面区域有复杂的射电辐射结构和较强的星际闪烁，在以往的大多数低频射电巡天项目中，对暂现源的搜寻往往局限于远离银道面的区域，没有对周期为几分钟到几小时的暂现源进行过系统搜寻。这一发现是在银道面区域长周期暂现源的首次探测，如果能继续探测到更多具有类似特征的暂现源并揭示其物理性质，则意味着在银河系内存在一类具有超强磁场的长周期星体，有助于全面了解恒星的演化和死亡。该团队正在开展系统性的搜寻，以发现更多的这种类型的星体，并建立一个大样本进行统计研究，从而填补磁星研究的空白。
这一暂现源的发现得益于高灵敏度的ska低频先导射电望远镜，以及根据ska数据特点定制的ska计算集群。论文的第二作者、上海天文台张翔承担了这项工作中的偏振校准和偏振数据分析，并制作了论文中的三幅关键图像。由于该项目的原始数据量巨大，数据处理中间过程产生的数据量更大（超过1000万个图像文件），数据处理过程复杂，数据处理软件对计算集群的访存输入输出（io）带宽、数据io带宽、高并发任务和高并行化处理都有极高要求。基于上述ska偏振数据处理的特点和极高要求，上海天文台作为mwa的正式成员，利用自主研发的中国ska区域中心原型机，在国家科技部、中国科学院、ska中国办公室和上海市科委的支持下，联合国际ska科学团队针对ska重点科学目标开展了一系列科学研究。在本项研究工作中，中国ska区域中心原型机承担了该项目部分mwa数据的存储，参与了宽波段偏振数据的处理，完成了部分偏振图像的分析，并与澳大利亚ska区域中心的计算设备共同完成了其他数据处理任务。
多伦多大学一位天文学家的研究表明，太阳系被一个可以在无线电波中看到的磁力隧道所包围。邓拉普天文学和天体物理学研究所的副研究员Jennifer West正在提出一个科学论据，即 在天空对面看到的两个明亮的结构--以前被认为是独立的--实际上是连接在一起的，其由绳索状的细丝组成。
这种连接形成了看起来像是一个围绕我们太阳系的隧道。
West的研究的数据结果已经发表在《Astronphysical Journal》上。
“如果我们抬头看天空，”West说道，“我们几乎在每一个方向都会看到这个类似隧道的结构--也就是说，如果我们有一双能看到无线电光的眼睛的话。”
West表示，被称为“北银极支(North Polar Spur)”和“扇形区域(Fan Region)”的这两个结构实际上天文学家已经知道有几十年时间了。但大多数的科学解释都集中在它们各自身上。而West和她的同事们认为，他们是第一个将它们作为一个单元联系起来的天文学家。
这些结构由带电粒子和磁场组成，形状像长绳，位于离我们约350光年的地方--长度约为1000光年。
“这相当于在多伦多和温哥华之间旅行两万亿次的距离，”West说道。
自第一次看到射电天空的地图以来，West已经断断续续地思考这些特征15年了。最近，她建立了一个计算机模型，以计算出当她改变长绳的形状和位置时从地球上看无线电天空会是什么样子。这个模型允许West“建造”我们周围的结构并向她展示了通过我们的望远镜看到的天空是什么样子。正是这种新的视角帮助她将模型跟数据相匹配。
West表示：“几年前，我们的一位合著者Tom Landecker告诉我一篇1965年的论文--来自射电天文学的早期，West表示，“根据当时的粗略数据，作者（Mathewson和Milne）推测这些偏振的无线电信号可能来自于我们对银河系本地臂的看法，来自于它的内部。那篇论文启发了我发展这个想法，并将我的模型跟我们的望远镜今天提供给我们的大量更好的数据联系起来。”
West以地球的地图为例。北极在上面，赤道在中间穿过--除非从不同的角度重新绘制地图。我们银河系的地图也是如此。“大多数天文学家看地图的时候，银河系的北极在上，银河系中心在中间。激发这个想法的一个重要部分是用中间不同的点来重新制作该地图。”
“这是极其聪明的工作，”邓拉普研究所的教授和该出版物的作者Bryan Gaensler说道，“当Jennier第一次向我推销这个时，我认为这太‘离谱’了，它不可能成为一种可能的解释。但她最终还是说服了我。现在，我很高兴看到天文学界的其他人士如何反应。”
作为研究星系和星际介质中的磁性的专家，West期待着跟这项研究有关的更多可能的发现。“磁场不是孤立存在的，它们都必须相互连接。因此，下一步是更好地了解这个局部磁场是如何与更大范围的银河系磁场，以及跟我们太阳和地球的更小范围的磁场相连接的。”
与此同时，West也赞同新“隧道”模型不仅给科学界带来了新的见解，而且对我们其他人来说也是一个开创性的概念。“我认为想象一下，每当我们抬头看向夜空时，这些结构无处不在，这实在是太棒了，”West说道。
电磁学计算方法的研究进展和状态摘 要：介绍了电磁学计算方法的研究进展和状态，对几种富有代表性的算法做了介绍，并比较了各自的优势和不足，包括矩量法、有限元法、时域有限差分方法以及复射线方法等。 关键词：矩量法；有限元法；时域有限差分方法；复射线方法 1 引 言 1864年Maxwell在前人的理论（高斯定律、安培定律、法拉第定律和自由磁极不存在）和实验的基础上建立了统一的电磁场理论，并用数学模型揭示了自然界一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律，这就是著名的Maxwell方程。在11种可分离变量坐标系求解Maxwell方程组或者其退化形式，最后得到解析解。这种方法可以得到问题的准确解，而且效率也比较高，但是适用范围太窄，只能求解具有规则边界的简单问题。对于不规则形状或者任意形状边界则需要比较高的数学技巧，甚至无法求得解析解。20世纪60年代以来，随着电子计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法发展起来，并得到广泛地应用，相对于经典电磁理论而言，数值方法受边界形状的约束大为减少，可以解决各种类型的复杂问题。但各种数值计算方法都有优缺点，一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决，常需要将多种方法结合起来，互相取长补短，因此混和方法日益受到人们的重视。 本文综述了国内外计算电磁学的发展状况，对常用的电磁计算方法做了分类。2 电磁场数值方法的分类 电磁学问题的数值求解方法可分为时域和频域2大类。频域技术主要有矩量法、有限差分方法等，频域技术发展得比较早，也比较成熟。时域法主要有时域差分技术。时域法的引入是基于计算效率的考虑，某些问题在时域中讨论起来计算量要小。例如求解目标对冲激脉冲的早期响应时，频域法必须在很大的带宽内进行多次采样计算，然后做傅里叶反变换才能求得解答，计算精度受到采样点的影响。若有非线性部分随时间变化，采用时域法更加直接。另外还有一些高频方法，如GTD，UTD和射线理论。 从求解方程的形式看，可以分为积分方程法（IE）和微分方程法（DE）。IE和DE相比，有如下特点：IE法的求解区域维数比DE法少一维，误差限于求解区域的边界，故精度高；IE法适合求无限域问题，DE法此时会遇到网格截断问题；IE法产生的矩阵是满的，阶数小，DE法所产生的是稀疏矩阵，但阶数大；IE法难以处理非均匀、非线性和时变媒质问题，DE法可直接用于这类问题〔1〕。3 几种典型方法的介绍 有限元方法是在20世纪40年代被提出，在50年代用于飞机设计。后来这种方法得到发展并被非常广泛地应用于结构分析问题中。目前，作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法，有限元法已非常著名。 有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。其定解问题为： 应用变分原理，把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题，利用对区域D的剖分、插值，离散化变分问题为普通多元函数的极值问题，进而得到一组多元的代数方程组，求解代数方程组就可以得到所求边值问题的数值解。一般要经过如下步骤： ①给出与待求边值问题相应的泛函及其变分问题。 ②剖分场域D，并选出相应的插值函数。 ③将变分问题离散化为一种多元函数的极值问题，得到如下一组代数方程组：其中：Kij为系数（刚度）矩阵；Xi为离散点的插值。 ④选择合适的代数解法解式（2），即可得到待求边值问题的数值解Xi（i＝1，2，…，N） （2）矩量法 很多电磁场问题的分析都归结为这样一个算子方程〔2〕： L（f）＝g（3）其中：L是线性算子，f是未知的场或其他响应，g是已知的源或激励。 在通常的情况下，这个方程是矢量方程（二维或三维的）。如果f能有方程解出，则是一个精确的解析解，大多数情况下，不能得到f的解析形式，只能通过数值方法进行预估。令f在L的定义域内被展开为某基函数系f1，f2，f3，…，fn的线性组合：其中：an是展开系数，fn为展开函数或基函数。 对于精确解式（2）通畅是无限项之和，且形成一个基函数的完备集，对近似解，将式 （2）带入式（1），再应用算子L的线性，便可以得到： m＝1，2，3，…此方程组可写成矩阵形式f，以解出f。矩量法就是这样一种将算子方程转化为矩阵方程的一种离散方法。 在电磁散射问题中，散射体的特征尺度与波长之比是一个很重要的参数。他决定了具体应用矩量法的途径。如果目标特征尺度可以与波长比较，则可以采用一般的矩量法；如果目标很大而特征尺度又包括了一个很大的范围，那么就需要选择一个合适的离散方式和离散基函数。受计算机内存和计算速度影响，有些二维和三维问题用矩量法求解是非常困难的，因为计算的存储量通常与N2或者N3成正比（N为离散点数），而且离散后出现病态矩阵也是一个难以解决的问题。这时需要较高的数学技巧，如采用小波展开，选取合适的小波基函数来降维等〔3〕。 （3）时域有限差分方法 时域有限差分（FDTD）是电磁场的一种时域计算方法。传统上电磁场的计算主要是在频域上进行的，这些年以来，时域计算方法也越来越受到重视。他已在很多方面显示出独特的优越性，尤其是在解决有关非均匀介质、任意形状和复杂结构的散射体以及辐射系统的电磁问题中更加突出。FDTD法直接求解依赖时间变量的麦克斯韦旋度方程，利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式，这样达到在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩。电场和磁场分量在空间被交叉放置，这样保证在介质边界处切向场分量的连续条件自然得到满足。在笛卡儿坐标系电场和磁场分量在网格单元中的位置是每一磁场分量由4个电场分量包围着，反之亦然。 这种电磁场的空间放置方法符合法拉第定律和安培定律的自然几何结构。因此FDTD算法是计算机在数据存储空间中对连续的实际电磁波的传播过程在时间进程上进行数字模拟。而在每一个网格点上各场分量的新值均仅依赖于该点在同一时间步的值及在该点周围邻近点其他场前半个时间步的值。这正是电磁场的感应原理。这些关系构成FDTD法的基本算式，通过逐个时间步对模拟区域各网格点的计算，在执行到适当的时间步数后，即可获得所需要的结果。 在上述算法中，时间增量Δt和空间增量Δx，Δy和Δz不是相互独立的，他们的取值必须满足一定的关系，以避免数值不稳定。这种不稳定表现为在解显式 差分方程时随着时间步的继续计算结果也将无限制的67增加。为了保证数值稳定性必须满足数值稳定条件：其中：（对非均匀区域，应选c的最大值）〔4〕。 用差分方法对麦克斯韦方程的数值计算还会在网格中引起所模拟波模的色散，即在FDTD网格中数字波模的传播速度将随波长、在网格中的传播方向以及离散化的情况而改变。这种色散将导致非物理原因引起的脉冲波形的畸变、人为的各向异性及虚拟的绕射等，因此必须考虑数值色散问题。如果在模拟空间中采用大小不同的网格或包含不同的介质区域，这时网格尺寸与波长之比将是位置的函数，在不同网格或介质的交界面处将出现非物理的绕射和反射现象，对此也应该进行定量的研究，以保证正确估计FDTD算法的精度。在开放问题中电磁场将占据无限大空间，而由于计算机内存总是有限的，只能模拟有限空间，因此差分网格在某处必将截断，这就要求在网格截断处不引起波的明显反射，使对外传播的波就像在无限大空间中传播一样。这就是在截断处设置吸收边界条件，使传播到截断处的波被边界吸收而不产生反射，当然不可能达到完全没有反射，目前已创立的一些吸收边界条件可达到精度上的要求，如Mur所导出的吸收边界条件。 （4）复射线方法 复射线是用于求解波场传播和散射问题的一种高频近似方法。他根据几何光学理论和几何绕射理论的分析方法和计算公式，在解析延拓的复空间中求解复射线轨迹和场的振幅和相位，从而直接得出局部不均匀波（凋落波）的传播和散射规律〔5〕。复射线方法是包括复射线追踪、复射线近轴近似、复射线展开以及复绕射线等处理技术在内的一系列处理方法的统称。其共同特点在于：通过将射线参考点坐标延拓到复空间而建立了一个简单而统一的实空间中波束／射线束（Bundle ofrays）分析模型；通过费马原理及其延拓，由基于复射线追踪或复射线近轴近似的处理技术，构造了射线光学架构下有效的鞍点场描述方法等。例如，复射线追踪法将射线光学中使用的射线追踪方法和场强计算公式直接地解析延拓到复空间，利用延拓后的复费马原理进行复射线搜索，从而求出复射线轨迹和复射线场。这一方法的特点在于可以基于射线光学方法有效地描述空间中波束的传播，因此，提供了一类分析波束传播的简便方法。其不足之处是对每一个给定的观察点必须进行一次二维或四维的复射线轨迹搜索，这是一个十分花费时间的计算机迭代过程。4 几种方法的比较和进展 将有限元法移植到电磁工程领域还是二十世纪六七十年代的事情，他比较新颖。有限元法的优点是适用于具有复杂边界形状或边界条件、含有复杂媒质的定解问题。这种方法的各个环节可以实现标准化，得到通用的计算程序，而且有较高的计算精度。但是这种方法的计算程序复杂冗长，由于他是区域性解法，分割的元素数和节点数较多，导致需要的初始数据复杂繁多，最终得到的方程组的元数很大，这使得计算时间长，而且对计算机本身的存储也提出了要求。对电磁学中的许多问题，有限元产生的是带状（如果适当地给节点编号的话）、稀疏阵（许多矩阵元素是0）。但是单独采用有限元法只能解决开域问题。用有限元法进行数值分析的第一步是对目标的离散，多年来人们一直在研究这个问题，试图找到一种有效、方便的离散方法，但由于电磁场领域的特殊性，这个问题一直没有得到很好的解决。问题的关键在于一方面对复杂的结构，一般的剖分方法难于适用；另一方面，由于剖分的疏密与最终所形成的系数矩阵的存贮量密切相关，因而人们采用了许多方法来减少存储量，如多重网格法，但这些方法的实现较为困难〔6〕。 网格剖分与加密是有限元方法发展的瓶颈之一，采用自适应网格剖分和加密技术相对来说可以较好地解决这一问题。自适应网格剖分根据对场量分布求解后的结果对网格进行增加剖分密度的调整，在网格密集区采用高阶插值函数，以进一步提高精度，在场域分布变化剧烈区域，进行多次加密。 这些年有限元方法的发展日益加快，与其他理论相结合方面也有了新的进展，并取得了相当应用范围的成果，如自适应网格剖分、三维场建模求解、耦合问题、开域问题、高磁性材料及具有磁滞饱和非线性特性介质的处理等，还包括一些尚处于探索阶段的工作，如拟问题、人工智能和专家系统在电磁装置优化设计中的应用、边基有限元法等，这些都使得有限元方法的发展有了质的飞跃。 矩量法将连续方程离散化为代数方程组，既适用于求解微分方程，又适用于求解积分方程。他的求解过程简单，求解步骤统一，应用起来比较方便。然而 77他需要一定的数学技巧，如离散化的程度、基函数与权函数的选取，矩阵求解过程等。另外必须指出的是，矩量法可以达到所需要的精确度，解析部分简单，可计算量很大，即使用高速大容量计算机，计算任务也很繁重。矩量法在天线分析和电磁场散射问题中有比较广泛地应用，已成功用于天线和天线阵的辐射、散射问题、微带和有耗结构分析、非均匀地球上的传播及人体中电磁吸收等。 FDTD用有限差分式替代时域麦克斯韦旋度方程中的微分式，得到关于场分量的有限差分式，针对不同的研究对象，可在不同的坐标系中建模，因而具有这几个优点，容易对复杂媒体建模，通过一次时域分析计算，借助傅里叶变换可以得到整个同带范围内的频率响应；能够实时在现场的空间分布，精确模拟各种辐射体和散射体的辐射特性和散射特性；计算时间短。但是FDTD分析方法由于受到计算机存储容量的限制，其网格空间不能无限制的增加，造成FDTD方法不能适用于较大尺寸，也不能适用于细薄结构的媒质。因为这种细薄结构的最小尺寸比FDTD网格尺寸小很多，若用网格拟和这类细薄结构只能减小网格尺寸，而这必然导致计算机存储容量的加大。因此需要将FDTD与其他技术相结合，目前这种技术正蓬勃发展，如时域积分方程／FDTD方法，FDTD／MOM等。FDTD的应用范围也很广阔，诸如手持机辐射、天线、不同建筑物结构室内的电磁干扰特性研究、微带线等〔7〕。 复射线技术具有物理模型简单、数学处理方便、计算效率高等特点，在复杂目标散射特性分析等应用领域中有重要的研究价值。典型的处理方式是首先将入射平面波离散化为一组波束指向平行的复源点场，通过特定目标情形下的射线追踪、场强计算和叠加各射线场的贡献，可以得到特定观察位置处散射场的高频渐进解。目前已运用复射线分析方法对飞行器天线和天线罩（雷达舱）、（加吸波涂层）翼身结合部和进气道以及涂层的金属平板、角形反射器等典型目标散射特性进行了成功的分析。尽管复射线技术的计算误差可以通过参数调整得到控制，但其本身是一种高频近似计算方法，由于入射波场的离散和只引入鞍点贡献，带来了不可避免的计算误差。总的来说复射线方法在目标电磁散射领域还是具有独特的优势，尤其是对复杂目标的处理。5 结 语 电磁学的数值计算方法远远不止以上所举，还有边界元素法、格林函数法等，在具体问题中，应该采用不同的方法，而不应拘泥于这些方法，还可以把这些方法加以综合应用，以达到最佳效果。 电磁学的数值计算是一门计算的艺术，他横跨了多个学科，是数学理论、电磁理论和计算机的有机结合。原则上讲，从直流到光的宽频带范围都属于他的研究范围。为了跟上世界科技发展的需要，应大力进行电磁场的并行计算方法的研究，不断拓广他的应用领域，如生物电磁学、复杂媒质中的电磁正问题和逆问题、医学应用、微波遥感应用、非线性电磁学中的混沌与分叉、微电子学和纳米电子学等。参考文献〔1〕 文舸一．计算电磁学的进展与展望〔J〕．电子学报，1995，23（10）：62-69.〔2〕 刘圣民．电磁场的数值方法〔M〕．武汉：华中理工大学出版社，1991．〔3〕 张成，郑宏兴．小波矩量法求解电磁场积分方程〔J〕．宁夏大学学报（自然科学版），2000，21（1）：76-79. 〔4〕 王长清．时域有限差分(FD-TD)法〔J〕．微波学报,1989,(4):8-18.〔5〕 阮颖诤．复射线理论及其应用〔M〕．成都：电子工业出版社，1991．〔6〕 方静，汪文秉．有限元法和矩量法结合分析背腔天线的辐射特性〔J〕．微波学报，2000，16(2):139-143.〔7〕 杨永侠，王翠玲．电磁场的FDTD分析方法〔J〕．现代电子技术,2001,(11):73-74.〔8〕 洪伟．计算电磁学研究进展〔J〕．东南大学学RB （自然科学版），2002，32（3）：335-339.〔9〕 王长清，祝西里．电磁场计算中的时域有限差分法〔M〕．北京：北京大学出版社，1994．〔10〕 楼仁海，符果行，袁敬闳．电磁理论〔M〕．成都：电子科技大学出版社，1996． 现代电子技术
电磁学是物理学的一个分支。电学与磁学领域有著紧密关系，广义的电磁学可以说是包含电学和磁学，但狭义来说是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。 主要研究电磁波，电磁场以及有关电荷，带电物体的动力学等等。电磁学或称电动力学或经典电动力学。之所以称为经典，是因为它不包括现代的量子电动力学的内容。电动力学这样一个术语使用并不是非常严格，有时它也用来指电磁学中去除了静电学、静磁学后剩下的部分，是指电磁学与力学结合的部分。这个部分处理电磁场对带电粒子的力学影响。电磁学的基本理论由19世纪的许多物理学家发展起来，麦克斯韦方程组通过一组方程统一了所有的这些工作，并且揭示出了光作为电磁波的本质。电磁学的基本方程式为麦克斯韦方程组，此方程组在经典力学的相对运动转换（伽利略变换）下形式会变，在伽里略变换下，光速在不同惯性座标下会不同。保持麦克斯韦方程组形式不变的变换为洛伦兹变换，在此变换下，不同惯性座标下光速恒定。二十世纪初迈克耳孙-莫雷实验支持光速不变，光速不变亦成为爱因斯坦的狭义相对论的基石。取而代之，洛伦兹变换亦成为较伽利略变换更精密的惯性座标转换方式。静磁现象和静电现象很早就受到人类注意。中国远古黄帝时候就已经发现了磁石吸铁、磁石指南以及摩擦生电等现象。系统地对这些现象进行研究则始於16世纪。1600年英国医生威廉·吉尔伯特(William Gilbert，1544～1603)发表了<论磁、磁饱和地球作为一个巨大的磁体>(Demagnete，magneticisque corporibus et de magnomagnete tellure)。他总结了前人对磁的研究，周密地讨论了地磁的性质，记载了大量实验，使磁学从经验转变为科学。书中他也记载了电学方面的研究。
电磁，物理概念之一，是物质所表现的电性和磁性的统称。如电磁感应、电磁波等等。电磁是丹麦科学家奥斯特发现的。电磁现象产生的原因在于电荷运动产生波动，形成磁场，因此所有的电磁现象都离不开磁场。电磁学是研究电磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科。麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术，深刻地影响着人们认识物质世界的思想。电磁是能量的反应是物质所表现的电性和磁性的统称，如电磁感应、电磁波、电磁场等等。所有的电磁现象都离不开磁场；而磁场是由运动电荷产生的。运动电荷可以产生波动。其波动机理为：运动电荷e运动时，必然受到其毗邻e地阻碍，表现为运动电荷带动其毗邻1向上运动，即毗邻随同运动电荷e一起向上运动；当毗邻1向上运动时，必然受到其自身毗邻1地阻碍，表现为毗邻1带动其自身毗邻向上运动，即毗邻2随同毗邻1一起向上运动。这样以此向前传播，形成波动。显然，真空中这种波动的传播速度为光速。
电磁，物理概念之一，是物质所表现的电性和磁性的统称。如电磁感应、电磁波等等。电磁是丹麦科学家奥斯特发现的。电磁现象产生的原因在于电荷运动产生波动，形成磁场，因此所有的电磁现象都离不开磁场。电磁学是研究电磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科。麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术，深刻地影响着人们认识物质世界的思想。电磁是能量的反应是物质所表现的电性和磁性的统称，如电磁感应、电磁波、电磁场等等。所有的电磁现象都离不开磁场；而磁场是由运动电荷产生的。运动电荷可以产生波动。其波动机理为：运动电荷e运动时，必然受到其毗邻e地阻碍，表现为运动电荷带动其毗邻1向上运动，即毗邻随同运动电荷e一起向上运动；当毗邻1向上运动时，必然受到其自身毗邻1地阻碍，表现为毗邻1带动其自身毗邻向上运动，即毗邻2随同毗邻1一起向上运动。这样以此向前传播，形成波动。显然，真空中这种波动的传播速度为光速。
电和磁有何关系 电磁，在许多人的印象里，电和磁就像是一对相生相成、形影不离的孪生兄弟，也像是一对亲密无间、夫唱妻随的美满佳偶。说到电，必然也会说到磁；提到磁，自然也离不开电。如充满宇宙中的电磁波，它们对于我们来说简直就是如雷贯耳，因为它们对宇宙天体和生命物质发挥着极为重要的作用，它们就是电性和磁性的统一体。 电和磁确实有许多相似之处：带电体周围有电场，磁体周围也有磁场；同种电荷相斥，同名磁极也相斥；异种电荷相吸，异名磁极也相吸；变化的电场能激发磁场，变化的磁场也能激发电场；用摩擦的方法能使物体带上电，如果用磁铁的一极在一根铁棒上沿同一方向摩擦几次，也能使铁棒磁化——物理学家法拉第和麦克斯韦为此创立了“电生磁、磁生电”的电磁场理论。 但在19世纪以前，人们始终认为两者是各不相关的。直到19世纪初，科学界仍普遍认为电和磁是两种独立的作用。法国物理学家库仑就曾经论证过，电和磁是物质的两种截然不同的性质，虽然它们的作用定律在数学上极为相似，但是电和磁是不会相互转化的。库仑的这个看法在当时成了一种权威的理论。 但后来，电与磁之间的联系被发现了，如奥斯特发现的电流磁效应和安培发现的电流与电流之间相互作用的规律。再后来，法拉第提出了电磁感应定律，这样电与磁就连成一体了。 现在我们认为，电和磁是不可分割的，它们始终交织在一起。简单地说，就是电生磁、磁生电。变化的磁场能激发电场，反之，变化的电场也能激发磁场，有电必有磁，有磁才有电。它们总是紧密联系而不可分割的。 电流产生磁场 在“电和磁相互独立”的观点风行欧洲时，丹麦的科学家奥斯特却坚信电与磁之间有着某种联系。经过多年的研究，他终于在1820年发现了电流的磁效应：在一根直导线的附近放一枚小磁针，使磁针和导线平行，当导线中有足够强的电流通过时，磁针突然偏转，并与导线垂直，证明了电流周围存在着磁场。 如果一条直的金属导线通过电流，那么在导线周围的空间将产生圆形磁场。导线中流过的电流越大，产生的磁场越强。磁场成圆形，围绕导线周围。磁场的方向可以根据“右手定则”来确定：将右手拇指伸出，其余四指并拢弯向掌心。这时，拇指的方向为电流方向，而其余四指的方向是磁场的方向。实际上，这种直导线产生的磁场类似于在导线周围放置了一圈N、S极首尾相接的小磁铁的效果。 如果有两条通电的直导线相互靠近，会发生什么现象？我们首先假设两条导线的通电电流方向相反。那么，根据上面的说明，两条导线周围都产生圆形磁场，而且磁场的走向相反。在两条导线之间的位置会是说明情况呢？不难想象，在两条导线之间，磁场方向相同。这就好像在两条导线中间放置了两块磁铁，它们的N极和N极相对，S极和S极相对。由于同性相斥，这两条导线会产生排斥的力量。类似地，如果两条导线通过的电流方向相同，它们会互相吸引。 如果一条通电导线处于一个磁场中，由于导线也产生磁场，那么导线产生的磁场和原有磁场就会发生相互作用，使得导线受力。这就是电动机和喇叭的基本原理。 1831年8月，法拉第在软铁环两侧分别绕2个线圈 ，其一为闭合回路，在导线下端附近平行放置一磁针；另一与电池组相连，接开关，形成有电源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转；切断开关，磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验，把产生感应电流的情形概括为5类：变化的电流， 变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体。并把这些现象正式定名为电磁感应。 如果把一个螺线管两端接上检测电流的检流计，在螺线管内部放置一根磁铁。当把磁铁很快地抽出螺线管时，可以看到检流计指针发生了偏转，而且磁铁抽出的速度越快，检流计指针偏转的程度越大。同样，如果把磁铁插入螺线管，检流计也会偏转，但是偏转方向和抽出时相反。 为什么会发生这种现象呢？我们已经知道，磁铁会向周围的空间发出磁力线。如果把磁铁放在螺线管中，那么磁力线就会穿过螺线管。这时，如果把磁铁抽出，磁铁远离了螺线管，将造成穿过螺线管的磁力线数目减少（或者说线圈内部的磁通量减少）。正是这种穿过螺线管的磁力线数目（也就是磁通量）的变化使得螺线管中产生了感生电动势。如果线圈闭合，就产生电流，称为 电磁感应现象的发现，乃是电磁学领域中最伟大的成就之一。它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础，为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，在实用上有重大意义。电磁感应现象的发现，标志着一场重大的工业和技术革命的到来。事实证明，电磁感应在电工、电子技术、电气化、自动化方面的广泛应用对推动社会生产力的发展和科学技术的进步都发挥了重要的作用。
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从诞生伊始，人类就在不停地 探索 着世界。因为 科技 水平的限制，早期人类并不能精确地将各种复杂的地形绘制下来，他们对世界的认知大都靠口口相传和亲自丈量。 到了近现代，各种精密仪器的出现使得人类对世界有了更加准确的认识，知道了地球是个近乎标准圆的球体，也知道这个球体表面被七大洲、五大洋覆盖着，并依此绘制了详细的世界地图、制造出了精美的地球模型。 然而，人类 探索 的欲望是无穷尽的，对自身所在星球有了详细的认知之后，人类又将目光放到了更大的范围——银河系。 银河系是什么样子和形状的？相信许多人都能瞬间给出这样描述：一个充满了恒星和星云的巨大扁平圆盘，太阳系就在这个圆盘的一条悬臂上。 事实上，身处地球根本无法看清银河系的全貌。在晴朗的夜晚仰望星空，我们只能够看到稍有排列规律的繁星，而这繁星其实只占了银河系极小的部分，还有大片的区域是人类在地球观察不到的。 1977年9月5日，旅行者一号从卡纳维尔角航天中心启航，开始了其漫长的宇宙征程。截止今日，它已经距离地球227亿公里，成为了距离地球最远的人造探测器，可它距离真正飞出太阳系还有着难以想象的距离。 此时问题来了，既然人类连太阳系都没出去过，究竟是怎么知道和确定银河系的形状的呢？网上众多银河系的照片究竟又是从哪里来的呢？ 其实这些照片都是画出来的，而并非大部人认为的实拍图。当然了，虽然是画出来的，但绝不是瞎画。天文学家们早已经通过各种数据和实验反复证明，银河系确实就是图片中描绘出来的样子，只有细节部分或许会有些许出入。 它是宇宙中很寻常的螺旋星系，中间部位是一个高密度、高质量的巨大核心，周围有几根围绕着核心旋转的巨大旋臂，而我们就生活在这其中一个悬臂上。 那么天文学家们怎样知道这个事实的呢？其实对银河系形状的 探索 过程就是人类近代天文史的发展过程。 1687年，牛顿发表了万有引力定律。1775年，康德发表了《自然通史天体论》一书，他在结合了万有引力定律之后提出了一个大胆的猜想——银河系是一个旋转的圆盘结构。 颠覆认知的猜想自然需要大量观察证明，为了弄清楚银河系究竟是什么形状的，天文学家威廉·赫歇尔 (William Herschel)提出了一种非常独特的方法——数恒星。 为了让得到的结果更加精确，他给这种方法假设了三个前提。一，我们在地球可以看到银河系最边缘恒星。二，恒星的分布是均匀的。三，其中恒星的亮度都差不多。 综合三个前提之后，只要数出每个方向上恒星的数量，就能够将银河系大体的形状绘制出来。威廉·赫歇尔绘制的银河系形状如上图所示。 事实证明，威廉·赫歇尔当时绘制的和我们现在看到的相差极大，因为他的三个假设全都是不正确的。但他的模型并不是一无是处，至少证明了银河系是扁平的结构。 后来，随着 科技 的不断发展，人类观察手段也在不断进步，对银河系的认识越来越清晰。20世纪初，天文学家雅各布斯·卡普坦 (Jacobus Kapteyn)经过16年的观察，最终得出银河系是旋转着的扁平结构的结论。 由于雅各布斯·卡普坦并没有意识到星际物质会吸收大量可见光，所以他计算出的银河系无论是大小还是形状，都和实际情况有一定的出入。 雅各布斯·卡普坦去世之后，他的学生奥尔特（Jan Oort）继续着他的研究。经过几十年的潜心研究，奥尔特、克尔（Kerr）、韦斯特豪特（Westerhout）三人在1958年发表了论文，公布了人类第一幅接近完整银河系旋臂的结构图。 知道了银河系的形状，科学家们又利用造父变星亮度与距离的关系，成功计算出了银河系是一个直径105700光年，中心厚度超过1000光年的螺旋星系。至此，也就是我们平时在图片看到的银河系样子，这是不是解开了你多年的疑惑？ 值得一提的是，银河系的样子未来有可能会改变，因为200万光年外，一个至少拥有一万亿颗恒星、直径超过20万光年的仙女座星系，正以200km/s的速度朝银河系奔来。 按照科学家的推算，30亿年后两者将会“碰撞”，50亿年后两者将融合成一个体积更大的星系。 可人类注定无法一饱眼福了，因为50亿年后太阳的体积将膨胀250倍左右，成为一颗体积巨大的红巨星。届时地球即便不被太阳直接吞噬，也一定会被炙烤成不适宜任何生命存活的“球干”，不知道人类那时究竟何去何从。
在这个宇宙里，“轮回”是个非常常见的话题。恒星死亡爆发为超新星，超新星的遗迹又造就新的恒星；黑洞可以吞噬一切，但又有理论认为黑洞可以孕育一个星系。在宇宙中，死亡和灾难仿佛总是和诞生联系在一起。
最近的一项研究表明：即使是我们的太阳系，可能也是从灾难中诞生的。除了大家都知道的太阳系诞生于一颗古老超新星的理论之外，欧洲的科学家还发现：如果不是几十亿年前一个星系与银河系发生剧烈的碰撞，可能也不会有太阳系的诞生。
在本星系团中，银河系并非完全独立存在的。在它的周围，科学家发现了差不多60个比较小的星系，在引力的作用下围绕银河系公转，这些星系被称作 卫星星系 。我们最熟悉的卫星星系，就是航海家麦哲伦记录下来的大小麦哲伦星云。今天，咱们要说到的，是科学家在1994年发现的一个矮星系—— 人马座矮椭球星系 。
人马座矮椭球星系（Sagittarius Dwarf Spheroidal/Elliptical Galaxy，缩写：Sgr d Sph或Sag DEG），距离我们大约7万光年，自身直径约1万光年，以几乎垂直于银盘的轨道绕银河系公转。
早在2018年的时候，欧洲航天局的 盖亚卫星 就发现：这个矮星系在最近3-9亿年之间曾经从银河系中穿行而过，引起了银河系核心一些恒星的扰动。而接下来两年的观测，科学家发现：Sgr d Sph 绝非仅仅在银河系中穿越过一次，而是多次在银河系体内穿行。进一步的研究显示，它很有可能在57亿年前也完成过一次穿越，而这一次穿越，直接导致了我们太阳系的形成！
这个理论是由西班牙特内里费岛加纳里亚天文研究所的一支团队发现的，他们将研究的论文发表在了《 自然天文学 》杂志上，向我们展示了太阳系侥幸的诞生。
根据盖亚卫星的数据，科学家们推测：在最近60亿年的时间里，Sgr d Sph至少与银河系发生过3次碰撞。其中最近的一次发生在大约10亿年前，和盖亚卫星在两年前观测的数据基本相符；在此之前，在大约20亿年前，它也曾经穿越过银河系；最远的一次发生在大约57亿年前，这也是导致太阳系形成的重要原因。
很多人一听到星系的碰撞，首先想到的是天体之间的撞击所带来的毁天灭地的灾难。实际上，由于恒星之间距离过于遥远，所以天体直接碰撞的概率并不大。恰恰相反，在星系碰撞过程中，反而有机会促成天体的形成。
论文的主要作者Tomas Ruiz-Lara向我们解释了这其中的机制：
这些涟漪会导致一部分区域的气体和尘埃密度下降，让它们在其他区域聚集。同时，星系之间的碰撞还产生了类似于超新星冲击波的效果，这种冲击波非但不会把气体云吹散，反而会将它包裹起来。原本这些物质需要非常漫长的岁月才会在引力作用下坍缩成为恒星，而在冲击波的助推之下，它们迅速凝聚在一起，加速了恒星的形成。
Tomas Ruiz-Lara表示：“当我们对盖亚卫星关于银河系的数据进行分析时，发现了三个恒星形成加速期，分别在57亿年前、19亿年前和10亿年前达到峰值，恰好与我们认为人马座矮椭球星系穿越银盘的时间相对应。”
“看样子，Sgr d Sph不仅雕刻了银河系的形状、影响了恒星在银河系内的运动模式，还使得银河系变得更加壮大。”论文的共同作者、同样来自IAC的Carme Gallart说，“看起来，银河系内很多恒星的形成都与它有关，如果没有它，这些恒星恐怕就不会出现了。”
他说的恒星之中，就包括我们的太阳系。他们的这个说法并非单纯的猜测，而是基于大量的观测数据和模型才提出的。他们对太阳附近6500光年以内的恒星进行了比较，尤其注意了它们的光度、颜色和距离。通过这些数据得到的结果，也都和这次关于人马座矮椭球星系撞击银河系的研究相符。
虽然这个说法还不是绝对的结论，但是可能性还是非常高的。Gallart表示：“在人马座矮椭球星系第一次穿越银河系的作用导致大量恒星形成的同时，我们的太阳也诞生了。我们不知道后来变成太阳的气体和尘埃云是不是在人马座矮椭球星系的引力作用下才发生坍缩，但这的确是一种可能性，因为太阳的年龄和人马座矮椭球星系导致恒星形成的时期相一致。”
研究人员也并没有强求太阳系诞生理论是否最终成立，他们更欣喜的是发现了卫星星系对主星系恒星形成的影响和作用，哪怕两个星系的质量有天壤之别。
我们之所以能够得到如此重要的科学发现，更多的也要归功于欧空局的盖亚卫星。2013年发射升空的盖亚卫星，以绘制银河系最完整地图为使命，对银河系内数十亿颗恒星进行了观测和定位，对于我们理解银河系有着重要的帮助。
至于人马座矮椭球星系，根据科学家的观测，它在围绕银河系公转的过程中，也在不断损失着自己的质量。也许，它是在用自己的“生命”，为银河系创造新的恒星。若不是它的碰撞，可能就不会有太阳系，也不会有地球，更不会有我们。
所以，当我们仰望夜空的时候，别忘了还有这么一个矮星系，同样是创造宇宙奇迹的贡献者。
数以亿万级的耀眼恒星织成了银河，点缀了黑暗的夜空。在这些彼此相距遥远的恒星之间，也并非是完全的“真空”，而是充斥着星际介质。其中的一个重要成员，便是由恒星贡献的 “金属” —— 在天文学里，所有比氦更重的元素都统称为金属 。当恒星寿终正寝，并以爆炸完成华丽的谢幕时，它们会将自己产生的金属（如铁、锌、碳和硅等）以原子形式喷射出来，释放到星系介质的气体中。
除了来源于恒星的金属之外，星际介质中还有两个重要成员。恒星喷射出的金属会逐渐凝缩成 尘埃颗粒 ，尤其是在星系中较为寒冷和致密的区域。而来源于星系间、被吸入星系的 原初气体 （pristine gas）不含金属，其主要成分是氢，也含有少量的氦。原初气体为星系提供了新鲜的“补给”，同时也为新恒星形成提供了原料。
在上百亿年前，银河系诞生之初，其中是不含金属的，而正是恒星释放的金属丰富了银河系环境的成分。了解银河系中的气体和金属成分，可以帮助人们更好地理解其 历史 和演化过程。
理论上，星际介质中的金属丰度可以用极紫外吸收光谱测量。但由于尘埃中的金属元素呈固态，而非可观测的气态，所以科学家无法对太阳附近以外的区域的金属丰度作出准确测量。因此， 现有的星系理论模型默认 ，星际介质中的三种成分（来源于恒星的金属、尘埃和来源于星系间的原初气体）是 均匀混合 的，而且在银河系的大部分区域， 金属丰度都与太阳大气层中（即太阳金属丰度）相当 ，但在银河系中心区域，由于恒星分布更为密集，金属丰度略高。
然而近日，一支由瑞士、美国、智利和法国天文学家组成的研究团队在《自然》上发表了他们最新的 研究成果 ，表明银河系中星际介质的成分并未像此前人们所想的那样是均匀混合的。相反，银河系的不同区域， 金属丰度存在剧烈的波动 。这项发现可能对现有的星系演化理论产生重要影响，也意味着对银河系演化进行模拟的模型或许需要修正。
研究团队使用了哈勃空间望远镜、甚大望远镜（VLT）等的观测数据，对银河系中的25颗恒星光谱进行了研究。“当我们观测恒星时，恒星和观测者之间的 气体中的金属会吸收微量的、特定频率的光 ，这一特征吸收光谱，不仅可以让我们得知金属的存在，还 可以告诉我们其种类以及丰度 。”索尔邦大学巴黎天体物理研究所的帕特里克·珀蒂让（Patrick Petitjean）解释道，他也是这篇论文的作者之一。这些恒星与太阳的距离都不超过3千秒差距（1秒差距 光年）。
为 校正以往观测中尘埃对金属丰度测量的影响 ，研究团队开发了一种新的观测技术，其中应用了两种独立的方法来估计尘埃对观测结果的影响。“这项技术通过同时观测多种元素，例如铁、锌、钛、硅和氧，将气体和尘埃的总成分纳入分析。然后，我们就可以追踪尘埃中的金属含量，并与此前的观测获取的数据叠加，获知总的金属丰度。”研究人员对此解释道。
结果令研究团队感到意外：不同的恒星金属丰度并不相同，其 差异可以超过一个量级 。其中，丰度最低的仅为太阳的17%，最高的则超过太阳的180%。此外，大约2/3的恒星金属丰度都低于太阳金属丰度， 平均金属丰度为太阳的55% ，这也与此前的观点，即银河系中各处的金属丰度都与太阳相当，有很大的出入。此外他们还观测到，这种 不均匀性的分布跨度可以超过数十秒差距 。不过，他们没有发现金属丰度和恒星与银河系中心的距离有明显的关联。
研究人员认为， 落入银盘中的原初气体与金属丰度较高的星际介质的混合 ，可能造成观测到的金属丰度较低。这些原初气体的金属丰度极低，它们落入银盘时形成了 高速云团 ， 难以有效地与星际介质混合 ，可能最终造成了星际介质金属丰度分布的不均匀。目前的观测结果也表明，银盘吸入原初气体的速率远高于产生和维持这种不均匀性的需求。也就是说，原初气体的云团可能非常常见，并且能解释研究的结果。
此前科学家们认为，原初气体与星际介质可以高效地混合。但这一新的发现表明，这一过程并没有那么高效迅速，可能的原因之一是，参与混合的不同组分之间的物理特性差异巨大。
金属在恒星、宇宙尘埃、分子和行星的形成中起到了基础性的作用。这一研究，也让科学家们开始展望未来的银河系研究。“这项发现， 对构建关于星系形成和演化的理论模型产生了重大影响 。”研究团队的成员之一、日内瓦大学天文学院的延斯-克里斯蒂安·克罗加格（Jens-Kristian Krogager）表示，“今后，我们要进一步提升分辨率，让模拟变得更精细，将银河系不同区域金属丰度的差异纳入考虑。”
编译 | 李诗源
审校 | 王昱
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