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

天空之城 2020/10/17 檢舉 我要评论

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,但影響范圍更廣,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,我們的瞭解就非常有限了。雖然這些星系看起來形狀也蠻規則的,比如漩渦星系,大部分恒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,我們也並不瞭解,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,希望能夠瞭解星系的磁場,這對於我們瞭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資料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等人非常巧妙地借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范圍非常廣,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恒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感歎道:「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。」

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