银河系磁场的研究论文摘要

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！

关于地球的磁场，相信大多数人都不会感到陌生，并不是孤立存在的地球磁场，为地球上的生命有效地阻止了太阳风的长驱直入。而地球所在的银河系也同样拥有自己的磁场，并且，一个星系的磁场可能影响的范围就更大了，足以跨越不同强度、乃至不同距离尺度上的各种天体物理过程。而磁场自然也有强弱之分，事实上，银河系的磁场就要比地球磁场弱几千倍，那你知道银河系的磁场到底是什么样子吗？

简单来说，科学家们之所以能够绘制出3D银河系磁场图，其原理本质上就是通过在银河系中广泛分布着的脉冲星来实现的。众所周知，只要是可见宇宙组成部分中的物质类型，都会在空间中留下追踪其存在的痕迹。而脉冲星的无线电波发射情况，便会因为银河系空间中存在的中间物质而受到干扰。

这大概就是所谓的每个独立事物的存在总具有多面性，而它的性质到底是有益、还是存在弊端，则要看你研究的主要对象是什么。没错，对于单纯性的研究宇宙空间中的脉冲星而言，不管是银河系空间中存在的磁场，还是离散的自由电子，它们都需要在进行矫正之后，才能更有利于进行脉冲星的相关研究。

在银河系空间中，沿着磁轴发射电磁能的脉冲星为银河系磁场提供了关键信息。

但是，这对于研究我们现在关注的银河系磁场来说，这些干扰信息则为这项研究提供了：我们无法通过其他方式获取到的重要信息。或许你有所不知，当脉冲星发出无线电波的时候，一旦其穿过银河系的时候被自由电子接入，该电波本身便会因此而受到一种特殊的影响，而这种特殊的影响被科学家们称为“弥散”。

由于低频无线电波的到达时间，又会比高频无线电波到达需要耗费的时间更长，于是这两者之间的差异就形成了所谓的DM（色散测量）。天文科学家们就是通过DM值来了解脉冲星的距离，又或是宇宙某个特定空间中星际介质的密集程度。由此可见，尽管是一些看似细微的数据变化，其背后往往都蕴藏着许多我们暂时还不得而知的重要信息。

图中表示了太阳在银河系中的位置，以及该星系的主要结构组成部分。

一般情况下，脉冲星的发射规律往往都是偏振的形态，但是，一旦这些偏振光经过的磁场中有等离子体存在的时候，其原本的旋转平面便会因此而发生旋转。科学家们正是观察到了这一反常现象，并且，特意将这样的现象称为法拉第旋转效应。而人类研究出来的射电望远镜，就可以对此类特殊的旋转方式进行测量。

脉冲星属于高速自转的中子星，转轴与磁极（各有一个辐射波束）轴存在夹角。

于是，一种被称为RM（法拉第旋转测量）的测量方式便诞生了。我们可以在对脉冲星的实际测量中发现这样的规律，倘若绝对RM越大，则意味着它与银河系平面之间的距离相对更远，以及该空间中同时存在着较为强大的磁场强度、又或是更大量级的电子数。科学家们就是通过射电望远镜的这种测量方式，了解到特定空间中的磁场强度和其中所拥有电子的大概数量。

分布上以荷兰为核心的欧洲射电望远镜低频阵列，工作于250 MHz以下的无线电频率。

科学家们创建3D形式银河系磁场图的方式，就是将收集到的脉冲星的旋转测量值和色散值进行除法运算。从而得到了分布在银河系空间中的每个脉冲星，其平均磁场强度具体是多大。于是，就这样由点及面，银河系地图上的每一个点，其实就是每个脉冲星的测量值。

此幅3D银河系磁场图中使用到的数据，均为脉冲星在当前条件下得到的测量值。

当我们从另一个角度来看，当银河系的磁场被立体地呈现出来的时候，其实也就相当于宇宙空间中银河系的样子就是这样。3D银河系磁场图的中间水平部分就是星系的平面，其中深浅不同的红色示意了，指向地球方向的银河系磁场强度是增强的趋势；而深浅不一的蓝色部分，则表示的是远离地球方向的银河系磁场强度。

简而言之，对于3D银河系磁场地图中电子密度和磁场结构的重建，主要是通过对大量脉冲星进行测量实现的。这幅银河系磁场图，不仅是脉冲星的方向目录，更让我们了解到了银河系的磁场强度，是如何随着银河系旋臂所在位置的距离变化而减小。当然，由于涉及到的数据只包含了137个脉冲星的信息。所以，这还不是一个完整的3D银河系磁场地图，科学家们还将在之后的时间里使用更多的映射方法，以获取到更多的脉冲星数据。

处于计划阶段中的平方公里阵列（SKA），将为人类收集天文学中所有最高分辨率的图像。

的确，我们人类所生活的地球就拥有自己强大的磁场。虽然，地球也只是银河系种的渺小存在体，但整个银河系的磁场却比地球弱了几千倍。然而，这并不代表着我们就不应该花更多的时间，来了解银河系磁场的相关内容。

毕竟地球的内部空间中存在的物质种类，与银河系这个更大的空间中所包含的物质类型并不在一个量级上。简而言之，不同空间范围内存在的物体类型不同。我们人类对地球的深入了解，主要是为了将人类未来的生存风险，以及可能经历的变化进行了解。

然而，银河系的磁场则可能蕴藏着许多地球磁场无法提供给我们的重要信息。比如，银河系磁场不仅可以帮助我们实现对宇宙射线的有效追踪，与此同时，它还跟星系中恒星的形成过程、乃至其他天体物理过程经历的演化路径有关。当然，对于大多数非天文工作者的普通人而言，我们并不了解宇宙射线所遵循的路径，其实就是由星系磁场所决定的。

而科学家们研究遥远宇宙空间中的宇宙射线源，比如，银河系中活跃的原子核，便可以通过银河系磁场的强弱获得更好地研究效果。与此同时，虽然我们目前并不清楚星系的磁场强度，到底在该空间中恒星的形成中扮演着多么重要的角色，但至少可以确定的是磁场强度会对分子云产生影响。也就是说，对银河系磁场所进行的研究，同时还有助于理解宇宙基本组成物质恒星的形成过程。

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。

银河系的星际空间存在着磁场。天文学家们通过对来源于银河系的宇宙射线分析，证明银河系确实存在着磁场。同时，银河系中的纤维状结构的弥漫星云和星光出现偏振的现象也证明了银河系磁场的存在。在银河系的局部区域和银晕中，磁场的取向是混乱的，而在旋臂区域则可能存在有取向规律的强磁场。