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科学松鼠会 塑造宇宙的磁场,来自何处?

2018-05-24 02:40编辑:潍坊良友精细化工有限公司人气:


塑造我们的宇宙的力量,并非只有引力一个。长久以来一直被人遗忘的磁场,或许也在其中起到了不可忽视的作用。图片来源:《新科学家》

塑造我们的宇宙的力量,并非只有引力一个。长久以来一直被人遗忘的磁场,或许也在其中起到了不可忽视的作用。图片来源:《新科学家》

(文/Katia Moskvitch)每每谈到宇宙,引力就当仁不让。是它让我们的双脚牢牢地站在地上,也是它塑造了我们的宇宙。它使得气体云发生坍缩,进而形成恒星和行星。它孕育了星系中数千亿颗的恒星,也正是在它的作用下,星系聚集成了星系团,进一步又形成了超星系团。然而,在这场游戏中,引力并非唯一的玩家——还有一种力纵横于宇宙之间,它就是磁力。

在接近真空的宇宙里,磁场可以延伸到非常远的距离,即便是星系间数十亿光年的广袤空间也不在话下。当然,这些磁场极其微弱。冰箱贴上磁铁的磁场,与银河系内外弥漫着的磁场相比,强度要高出100多万倍。这也许正是在宇宙学中磁场往往会被忽略的原因。毕竟,这么微不足道的东西怎么会影响整个星系呢?

然而,时代和观点正在发生改变。没错,引力把天体维系在了一起,但宇宙学中最关键的物理过程,从恒星形成到黑洞射出的高能喷流,都需要磁场的参与。“结果是,只要加入星际磁场的作用,之前天文学中许多的未解之谜,一下子就豁然开朗了,”澳大利亚悉尼大学的布赖恩·盖斯勒(Bryan Gaensler)如是说。

对于更大尺度的宇宙而言,也是如此吗?星系以及更大尺度上的磁场之所以如此吸引人,是因为它们也许是大爆炸后不久发生的某些物理过程的遗存。另外,宇宙中大多数可见的物质都由带电粒子组成,它们的运动遵从于磁场和引力的支配。于是,这催生了一种诱人的可能性——从时间开始之初,磁场就在塑造宇宙的过程中扮演了关键的角色。

不过,在确定这一点之前,我们还需要回答一些重要的问题:磁场究竟是在何时,以何种方式形成的?

我们已经知道,磁场在我们地球附近起到了重要的作用。1835年,德国物理学家卡尔·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss)借助系在一根线上的磁铁,首次测量了地球磁场。现在,对于太阳和地球如何产生各自的磁场,我们已经有了很好的认识。当地球外核中的熔融铁(或者太阳内部的等离子体)做切割磁力线运动的时候,会诱导产生电流。这些电流又会产生磁场,来补充业已存在的磁场。得益于这一发电机作用,微弱的“种子”磁场可以增长成强得多的磁场。

事情还不止于此。地球的磁场保护了臭氧层免受高能粒子的破坏,让我们的地球不会暴露在有害的紫外线之下。太阳的磁场也保护着我们,偏转了来自太阳系之外有害的粒子。在更大的尺度上,磁场甚至还有助于生命的起源。

然而,过去鲜有人预期,星际空间中会有磁场。第一个证据出现在1949年,当时美国天文学家约翰·霍尔(John Hall)和威廉·希尔特纳(William Hiltner)发现,有“东西”使得星光在飞向我们的过程中发生了偏振。结果显示,这样东西其实就是宇宙磁场,它们会使得星际尘埃颗粒像微小的罗盘指针一样整齐排列。盖斯勒说,这是一项惊人的发现。

自那时起,一系列的技术被研发出来,用以测量银河系以及近邻星系中的磁场。2011年,德国马普学会天体物理研究所的尼尔斯·奥珀曼(Niels Oppermann)及其同事,绘制了迄今最好的银河系磁场分布图,揭示出磁力线沿着银河系的旋臂结构分布,还确认了银河系的总磁场强度只有几个微高斯(1微高斯 = 10-6高斯)——仅为地球表面磁场的十万分之一。

天文学家相信,在类似银河系的旋涡星系中,磁场会通过一个“发电机”而被放大和维持。随着星系的自转,带电粒子会切割业已存在的磁场,使之进一步增强。“理论认为,星系诞生时伴有微弱得多的磁场,” 加拿大女王大学的天体物理学家拉里·威德罗(Larry Widrow)说,“但这些作为发电机种子的微弱原初磁场,又是从哪儿来的呢?”

最初的磁场

几十年来,科学家一直试图解开这个谜题,但他们的仪器设备还没有足够的灵敏度,来检验任何一个理论。

于是,有关的模型层出不穷。一种理论认为,最初的磁场由极早期的恒星产生,然后通过星风或者超新星爆发,扩散到了星际介质当中。另一种理论则认为,大约在大爆炸之后1亿年,当第一代星系形成时,位于其中心的超大质量黑洞产生了极强的磁场,之后被它强劲的喷流送入了星系际空间。一种新近的观点则认为,宇宙磁场可能是由年轻星系中的等离子体涨落产生的。只要你有了微弱的磁场,它就可以通过发电机效应被放大。因此星际介质(恒星间的气体和尘埃)的转动和湍动会增强最初的微弱磁场。在一颗恒星或者中央黑洞自转一周的时间里,这些过程可以让磁场的强度翻倍。和宇宙的年龄比起来,这些时间跨度是微不足道的,因此新生的磁场可以迅速达到可观的强度。

(来源:网络整理)

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