星系磁场的起源是什么?FAST将启程探索之旅
李晨睿 庆道冲 | 撰文
王馨心 | 编辑
SAIXIANSHENG 引言
与静电场正负电荷在小尺度上互相抵消的特性不同,磁场起源于运动的电荷。对于磁场而言,即便一个区域的物质整体上是电中性的,区域内具有相对运动的电荷仍能产生磁场,从小尺度汇聚为大尺度,对星系甚至宇宙大尺度结构产生不可忽视的影响。
图1:梵高的《星空》像是穿越时空借鉴了普朗克卫星的工作成果。图片来源:维基百科;ESA, Planck。
发电机理论(Dynamo theory)最初的产生旨在解释地球磁场的产生机制,由英国物理学家约瑟夫·洛莱(Joseph Larmor)在1919年提出[1]:由于地球的自转和内部的对流运动,地球内部的液态外核中导电的液态铁和镍产生了复杂的电流系统,同时,在地球自转的科里奥利力的影响下,其进一步形成了涡旋状的电流系统。电流系统所产生的感应磁场与地球内部的自然磁体作用在一起,导致了地球磁场的形成。
种子磁场
种子磁场的放大
小尺度随机场的排序
大尺度磁场的维持
图3:左边为尘埃偏振测量的旋涡星系M77大尺度磁场,与双对称螺旋结构模型相似度很高(photo from NASA/SOFIA & NASA/JPL-Caltech/Roma Tre Univ.);右边为同步辐射连续谱偏振测量的漩涡星系NGC 5775垂直方向的磁场,可从盘面向外伸展数千光年(photo from J. English & CHANG-ES)。图片来源:NASA/SOFIA & NASA/JPL-Caltech/Roma Tre Univ.; J. English & CHANG-ES
原初磁场理论(Primordial theory)假设在大爆炸初始条件下,宇宙存在一个均匀的弱磁场。该理论认为我们观测到的星系大尺度磁场仅仅是由于这个均匀弱磁场被星系盘较差旋转扭曲(大尺度剪切和压缩)得到的[16],而其他动力学过程,如湍流,则对大尺度磁场改变甚微。没有小尺度发电机的增强,由较差旋转缠绕起来的原初磁场最终会衰减。因此,在原初磁场理论中星系的磁扩散系数很低。该理论预测目前星系中的磁通量没有大量产生也没有大量消失[13]。
磁场起源的探索困难重重却也有迹可循,两种理论对于磁场的几何结构有着不同的预测。
对于银河系垂直盘面方向上的磁场,发电机理论与原初磁场理论预言的方向是相反的。但垂直方向磁场观测相对困难,且还需去除银河系中心气泡产生的垂直场的影响。
其次,两者对于盘面及旋臂结构的预测也不同:原初磁场理论预测奇宇称(宇称为空间对称性,星系磁场形态经过空间反演操作无法成为其原本形态的镜像为奇宇称)与径向悬臂结构反转的可能性;发电机理论则预测偶宇称(星系磁场形态经空间反演后成为原本形态的镜像)且没有悬臂间反转。但在我们观测到磁场结构的星系中既有存在悬臂反转的例子(银河系,M81),也有未测量到反转的例子(M31,IC342)[13]。这就需要更高分辨率望远镜更细节的观测了。
此外,两种理论对于星际磁场强度与磁扩散率的不同预测也提供了验证方法。
塞曼效应:适用于冷中性介质区和分子云,星际磁场(视线方向)的强度约为10微高斯量级。由于该强度产生的塞曼效应分裂间隔远远窄于谱线线宽,我们无法观测到谱线分裂的双峰,但可以在谱线的圆偏振频谱观测出S型特征。以往受限于望远镜灵敏度,谱线的分裂间隔窄于线宽,因此观测到的数据量较少。 同步辐射偏振测量:磁场使带电粒子围绕磁力线做螺旋形运动,辐射出射电波。辐射偏振方向垂直于天空平面方向的磁场,但测量低温低密区域时,气体湍流的影响会使测量结果出现较大误差。
其他间接测量磁场的方法:
星光偏振或尘埃偏振的测量:星际尘埃在磁场作用下有序排列,导致自身的辐射或吸收的背景星光辐射成为偏振光。在光学、红外波段,尘埃吸收背景恒星的自然光使其变成偏振光,磁场方向与辐射偏振方向平行。而在毫米波、亚毫米波段,磁场中尘埃本身的热辐射就是偏振的,磁场方向与偏振方向垂直。磁场强度需要运用Davis-Fermi-Chandrasekar方法计算[24],其基本思想是利用粒子运动方程中磁力和湍流气体动力的平衡关系来估算磁场强度,该方法需要通过分子谱线分析与估算气体密度和速度的离散度,并结合上述偏振测量得到偏振角的离散度。由此,便可计算得出磁场在天空平面的投影强度,但该方法得到的磁场强度值存在较大的不准确度。
同步辐射强度测量:同步辐射强度依赖于相对论电子密度与电子能谱指数,但电子密度通常是未知的,因此需要假设相对论电子在一能量范围内的密度。电子能谱指数的具体取值可能会因为实际情况而有所不同,因此此方法的准确度同样不高。
Goldreich-Kylafis效应:该方法适用于测量分子云磁场,通过测量分子谱线的线偏振度可以反演出磁场方向。但是这种方法的难点在于需要非常高的灵敏度来测量微弱的线偏振,因此需要采用高分辨率的仪器与长时间的观测[25]。
法拉第旋转:法拉第旋转主要用于测量星系内电离介质区域的磁场,而磁场强度通过计算偏振面的旋转角度(RM)与色散延迟(DM)之比获得。本方法同样需要假定电子密度的分布。其次,由于旋转角度对场方向的符号敏感,只有平均磁场(规则场)才会引起法拉第旋转,而湍流场的法拉第旋转在视线方向上的贡献大部分会被抵消[12]。
作者简介:
李晨睿,中国国家天文台在读研究生,研究方向为星际介质与恒星形成,导师为国家天文台李菂研究员。
庆道冲,字法天,现为美国国家射电天文台Jansky Fellow,研究领域为星际磁场,恒星形成等。
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