星系的磁場形狀為何如此怪異？呈現出X狀，還有巨大氣泡和環
2020-07-26 姿勢分子knowledge磁場，是一個能夠傳遞物體之間磁力的區域。它既可以通過磁體來形成，也可以通過變化的電流所形成。根據一個物體處在磁場的不同位置，物體所受到的磁力大小和方向也不同。
磁場是看不見摸不著的，但是我們卻能夠成功地繪製出它的形狀，這是因為我們可以將鐵屑灑在一個磁鐵的周圍，它們在磁場作用下就會重新排列，這就是磁場的形狀。
據此，我們也可以繪製地球磁場的形狀。因為地球磁場雖然弱，但影響範圍更廣，其來源又只有地核，因此可以看作是一個巨大的磁鐵。
如果我們看看更加巨大的天體結構——星系，會發現它們也有磁場。可是，對於星系的磁場形狀，我們的了解就非常有限了。雖然這些星系看起來形狀也蠻規則的，比如漩渦星系，大部分恆星都集中在星系核以及旋臂上。但是，星系遠遠不是這麼簡單的，我們眼睛所能看到的只是它們的一部分，何況它們如此遙遠，我們的觀測技術也無法將它們看得足夠清晰。
而且，星系的磁場是如何產生和維持的，我們也並不了解，這就對我們繪製星系磁場的形狀提出了很大的挑戰。科學家們一直努力進行這方面的嘗試，希望能夠了解星系的磁場，這對於我們了解自己的銀河系也有著重要的幫助。
為此，法國斯特拉斯堡天文數據中心的天文學家及物理學家Yelena Stein選擇了星系NGC 4217，作為人類探測星系磁場的新嘗試。NGC 4217距離我們大約6700萬光年，和銀河系一樣，它也是一個漩渦星系，因此是我們間接研究銀河系的一個重要參考。
（圖片說明：哈勃望遠鏡拍攝的星系NGC 4217）
可是，我們又不能像研究磁鐵一樣在這個星系周圍放鐵屑，該如何測量它的磁場呢？
Stein等人非常巧妙地藉助了一種只有宇宙中才有的工具——宇宙射線。這些射線的本質都是亞原子粒子，它們的速度非常快，甚至可以接近光速在宇宙中穿梭。當宇宙射線中的電子被超新星爆發的衝擊波所加速後，它們的速度就可以接近光速。這些達到相對論性電子會沿著磁場線螺旋前進，就像是處在一個同步加速器中一樣，會產生一種叫做同步輻射的電磁波。
這種輻射所覆蓋的波長範圍非常廣，Stein等人正是利用了相對論性粒子的同步輻射，實現了對星系磁場的繪製。為此，他們不僅僅檢測了輻射的強度，還檢測了其偏振方向。我們知道，電磁波是橫波，橫波就會有波動的方向，也就是偏振方向 。通過偏振方向的檢測，也可以幫助我們理解星系的磁場方向。
為了繪製NGC 4217的磁場，該團隊利用了位於美國新墨西哥州的Karl G. Jansky超大型列陣天文臺以及總部位於荷蘭的國際低頻陣列射電望遠鏡(LOFAR)。
觀測結果顯示，NGC 4217的磁場與我們大家印象中磁場的形狀果然大不相同，它竟然呈現出近似於字母X的形狀。這個磁場非常的巨大，根據他們的觀測，它可以延伸到星系盤上下22500光年的距離。而且，這個磁場並不是特例，研究團隊同時還對NGC 4217附近的其他幾個正在孕育恆星的星系進行了觀測，發現它們的磁場無論是在形狀還是規模上，都和它很相似。
Stein感嘆道：「這張圖像清楚地告訴我們，在想像我們的銀河系時，不要忘了它還有個和星系尺度差不多的巨大磁場。」
（圖片說明：研究團隊繪製NGC 4217的X狀磁場）
不過，雖然規模十分巨大，但這個磁場的強度卻非常有限。平均來說，這個星系磁場的強度大約只有9微高斯，而地球的磁場平均強度大約是0.5高斯，相當於它的5.6萬倍。
除此之外，該研究團隊還在NGC 4217發現了兩個巨大的氣泡狀結構。你可能已經想到了銀河系的兩個費米氣泡，但目前看來它們不是一種氣泡。NGC 4217的兩個氣泡中，一個是來自於大質量恆星在演化末期超新星爆發的區域形成的，另外一個是在恆星誕生的區域形成的，年輕的恆星非常狂暴，會釋放劇烈的恆星風。這個兩個氣泡雖然一個與恆星的生有關，另一個與恆星的死有關，但它們的形狀結構都高度相似，看起來其產生機制是有內在聯繫的。
德國馬克斯·普朗克射電天文學研究所的天文學家Rainer Beck告訴我們：「太有趣了，無論何時，在我們利用射電天文學中偏振法去觀測的過程中，總能在各個星系發現一些意想不到的收穫。比如這次，在NGC 4217中，我們就發現了巨大的磁性氣泡，以及螺旋向上的磁場插入到星系環中。」
與此同時，他們還發現了一些比較怪異的現象。在它的磁場中，他們發現了一個環繞著整個星系的巨大環狀結構。Stein非常驚訝地說：「在此之前還從沒發現過這種情況，我們推測這大概是恆星形成所造成的，因為這片區域有物質在不斷向外拋射。」
不論怎樣，這一次的各種發現都告訴我們：星系的磁場遠比我們想像的要複雜得多。目前來說，我們還不知道星系的磁場到底是如何形成的，比較主流的說法認為，可能是某種電學原理所導致的，可能是某種導電的流體在旋轉或者對流的過程中，將動能轉化為磁場的能量。
這個推測的來源在一定程度上也是來自於地球的磁場。雖然同樣沒有定論，但人們基本相信地球的磁場來自於地球核心處熔融的金屬等離子體在流動過程中所形成的。研究人員據此推測，大概是星系內超新星爆發和科裡奧利力相互做剪切運動，於是產生了巨大的磁場。而下落的氣體產生的湍流，是導致磁場形狀不對稱的原因。
總之不管是哪一種猜測，我們都需要更多的證據來證明。也許我們的銀河系也有著這樣詭異的磁場甚至更加詭異，這只能證明我們對星系的了解還非常有限。在直徑15萬光年的銀河系裡，不知道還有多少秘密等著我們去破解！
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