星系的磁场形状为何如此怪异?

未知 2020-07-27 11:40
星系的磁场形状为何如此怪异?


磁场,是一个能够传递物体之间磁力的区域。它既可以通过磁体来形成,也可以通过变化的电流所形成。根据一个物体处在磁场的不同位置,物体所受到的磁力大小和方向也不同。

磁场是看不见摸不着的,但是我们却能够成功地绘制出它的形状,这是因为我们可以将铁屑洒在一个磁铁的周围,它们在磁场作用下就会重新排列,这就是磁场的形状。

据此,我们也可以绘制地球磁场的形状。因为地球磁场虽然弱,但影响范围更广,其来源又只有地核,因此可以看作是一个巨大的磁铁。

星系的磁场形状为何如此怪异?呈现出X状,还有巨大气泡和环

 

如果我们看看更加巨大的天体结构——星系,会发现它们也有磁场。可是,对于星系的磁场形状,我们的了解就非常有限了。虽然这些星系看起来形状也蛮规则的,比如漩涡星系,大部分恒星都集中在星系核以及旋臂上。但是,星系远远不是这么简单的,我们眼睛所能看到的只是它们的一部分,何况它们如此遥远,我们的观测技术也无法将它们看得足够清晰。

而且,星系的磁场是如何产生和维持的,我们也并不了解,这就对我们绘制星系磁场的形状提出了很大的挑战。科学家们一直努力进行这方面的尝试,希望能够了解星系的磁场,这对于我们了解自己的银河系也有着重要的帮助。

为此,法国斯特拉斯堡天文数据中心的天文学家及物理学家Yelena Stein选择了星系NGC 4217,作为人类探测星系磁场的新尝试。NGC 4217距离我们大约6700万光年,和银河系一样,它也是一个漩涡星系,因此是我们间接研究银河系的一个重要参考。

星系的磁场形状为何如此怪异?呈现出X状,还有巨大气泡和环

 

(图片说明:哈勃望远镜拍摄的星系NGC 4217)

可是,我们又不能像研究磁铁一样在这个星系周围放铁屑,该如何测量它的磁场呢?

Stein等人非常巧妙地借助了一种只有宇宙中才有的工具——宇宙射线。这些射线的本质都是亚原子粒子,它们的速度非常快,甚至可以接近光速在宇宙中穿梭。当宇宙射线中的电子被超新星爆发的冲击波所加速后,它们的速度就可以接近光速。这些达到相对论性电子会沿着磁场线螺旋前进,就像是处在一个同步加速器中一样,会产生一种叫做同步辐射的电磁波。

这种辐射所覆盖的波长范围非常广,Stein等人正是利用了相对论性粒子的同步辐射,实现了对星系磁场的绘制。为此,他们不仅仅检测了辐射的强度,还检测了其偏振方向。我们知道,电磁波是横波,横波就会有波动的方向,也就是偏振方向 。通过偏振方向的检测,也可以帮助我们理解星系的磁场方向。

星系的磁场形状为何如此怪异?呈现出X状,还有巨大气泡和环

 

为了绘制NGC 4217的磁场,该团队利用了位于美国新墨西哥州的Karl G. Jansky超大型列阵天文台以及总部位于荷兰的国际低频阵列射电望远镜(LOFAR)。

观测结果显示,NGC 4217的磁场与我们大家印象中磁场的形状果然大不相同,它竟然呈现出近似于字母X的形状。这个磁场非常的巨大,根据他们的观测,它可以延伸到星系盘上下22500光年的距离。而且,这个磁场并不是特例,研究团队同时还对NGC 4217附近的其他几个正在孕育恒星的星系进行了观测,发现它们的磁场无论是在形状还是规模上,都和它很相似。

Stein感叹道:“这张图像清楚地告诉我们,在想象我们的银河系时,不要忘了它还有个和星系尺度差不多的巨大磁场。”

星系的磁场形状为何如此怪异?呈现出X状,还有巨大气泡和环

 

(图片说明:研究团队绘制NGC 4217的X状磁场)

不过,虽然规模十分巨大,但这个磁场的强度却非常有限。平均来说,这个星系磁场的强度大约只有9微高斯,而地球的磁场平均强度大约是0.5高斯,相当于它的5.6万倍。

除此之外,该研究团队还在NGC 4217发现了两个巨大的气泡状结构。你可能已经想到了银河系的两个费米气泡,但目前看来它们不是一种气泡。NGC 4217的两个气泡中,一个是来自于大质量恒星在演化末期超新星爆发的区域形成的,另外一个是在恒星诞生的区域形成的,年轻的恒星非常狂暴,会释放剧烈的恒星风。这个两个气泡虽然一个与恒星的生有关,另一个与恒星的死有关,但它们的形状结构都高度相似,看起来其产生机制是有内在联系的。

星系的磁场形状为何如此怪异?呈现出X状,还有巨大气泡和环

 

德国马克斯·普朗克射电天文学研究所的天文学家Rainer Beck告诉我们:“太有趣了,无论何时,在我们利用射电天文学中偏振法去观测的过程中,总能在各个星系发现一些意想不到的收获。比如这次,在NGC 4217中,我们就发现了巨大的磁性气泡,以及螺旋向上的磁场插入到星系环中。”

与此同时,他们还发现了一些比较怪异的现象。在它的磁场中,他们发现了一个环绕着整个星系的巨大环状结构。Stein非常惊讶地说:“在此之前还从没发现过这种情况,我们推测这大概是恒星形成所造成的,因为这片区域有物质在不断向外抛射。”

不论怎样,这一次的各种发现都告诉我们:星系的磁场远比我们想象的要复杂得多。目前来说,我们还不知道星系的磁场到底是如何形成的,比较主流的说法认为,可能是某种电学原理所导致的,可能是某种导电的流体在旋转或者对流的过程中,将动能转化为磁场的能量。

星系的磁场形状为何如此怪异?呈现出X状,还有巨大气泡和环

 

 

这个推测的来源在一定程度上也是来自于地球的磁场。虽然同样没有定论,但人们基本相信地球的磁场来自于地球核心处熔融的金属等离子体在流动过程中所形成的。研究人员据此推测,大概是星系内超新星爆发和科里奥利力相互做剪切运动,于是产生了巨大的磁场。而下落的气体产生的湍流,是导致磁场形状不对称的原因。

总之不管是哪一种猜测,我们都需要更多的证据来证明。也许我们的银河系也有着这样诡异的磁场甚至更加诡异,这只能证明我们对星系的了解还非常有限。在直径15万光年的银河系里,不知道还有多少秘密等着我们去破解!

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