安个望远镜?还是发射卫星?科学家提出了研究星际磁场的新方法

安个望远镜?还是发射卫星?科学家提出了研究星际磁场的新方法
2019年08月24日 01:35 新浪网 作者 天文在线

美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员开发了一种新的方法,来更加便宜易行地测量星际磁场的拓扑结构和强度——这些磁场穿行于我们的银河系内外,代表着自然界中最强大的力量之一。

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图解:根据欧空局的普朗克卫星提供的数据,在猎户座分子云的气体和尘埃的汹涌巨浪中形成恒星。形象信贷:欧空局/普朗克合作

与重力一起,磁场在许多天体物理过程中发挥着重要的作用。小到恒星的形成,大到搅动弥漫在星际空间中的巨大尘埃和气体云——正是这些尘埃和气体云支撑着恒星,行星和星系的结构和组成。在银河系层面上,磁场主导宇宙射线的加速和传播,并在热量传递和偏振辐射方面发挥重要作用。

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除此外,星际磁场产生的偏振辐射远远超过宇宙微波背景(CMB,宇宙诞生初始的遗留辐射)。一些科学家认为,探究宇宙起源的下一个里程碑需要测量CMB的偏振辐射。重点是,要想获得可靠的数据,解析地球和CMB之间的干涉磁场的拓扑结构将是必经之路。

然而,尽管星际磁场非常重要,影响普遍,但它代表了天体物理学的终极前沿之一。 在很大程度上,人们对星际磁场知之甚少,因为它极难研究。

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“研究太空中磁场的方法非常有限,”威斯康星大学麦迪逊分校(UW-Madison)天文学教授、星际介质研究领域的权威Alexandre Lazarian解释说,“我们对所有这些(天体物理)过程的理解都受限于我们对磁场了解的太少。”(星际介质是恒星之间看似空旷的空间,事实上,其中含有丰富的物质,具有扭曲、折叠和缠绕的磁场,夹带着完全或部分电离的等离子体。)

而现在,那些未知可能更容易被我们所掌握。由威斯康星天体物理学家带领的一个国际小组在《Nature Astronomy》杂志上发表文章,提出了一种能够追踪星际空间漩涡中磁场方向的新方法。

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《Nature Astronomy》中报告的概念证明建立在Lazarian和他的学生在过去两年发表的一系列理论和数值研究的基础上,从而为绘制太空磁场的缠绕情况提供了一种全新的方法。

到目前为止,在漫射环境(如太空中的尘埃和气体云)中,许多详细的磁场测绘工作都涉及到红外偏振测量,用到的仪器需要部署在卫星上或在平流层高空飞行的气球上。

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图解:地球有它自己的磁场,可以保护我们免受来自太阳的潜在有害带电粒子的伤害。图片来源:ESA/ATG MediaLab

这种新方法被称为速度梯度技术,非正式地称为“威斯康星技术”,它利用了以前从各种地面望远镜收集到的观测数据,不再需要将仪器送入太空——这是天文学家的一种昂贵而有限的资源。基于对导电流体中磁场湍流的研究,Lazarian和他的学生们设计了一种新的统计方法,利用从地面采集的常规光谱观测来测量磁场的拓扑结构。

在大多数情况下,地球大气会吸收红外线,因此传统的磁场测量需要把望远镜长时间放置在高空气球上飞行,或者把它安在卫星上。例如近年来,欧洲航天局(ESA)观测站利用普朗克卫星收集了许多新的星际磁场测量数据,该卫星具有红外功能,并于2009年至2013年投入使用。

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通过将新的威斯康星技术应用到一些普朗克卫星测量过磁场的星际分子云上,Lazarian和他的学生能够利用现有的地面观测结果生成高分辨率的地图。

“这项技术提供的磁场图的分辨率与普朗克技术获得的地图相当,”Lazarian说,“它还能利用研究人员为其他研究目的收集的光谱观测结果。鉴于该技术利用了地面望远镜和干涉仪的数据,磁场地图的分辨率可以得到显著提高。“

除了确定星际磁场的方向之外,这种新方法还可以用于测量磁场的强度,精确到地图上的每个像素。Lazarian说:“这表明‘威斯康星技术’可以通过使用现有的地面望远镜给磁场效应对恒星形成的影响研究带来革命性的变化,而无需在遥远的将来等待基于太空的新高分辨率偏振技术。”

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Lazarian补充道,这项新技术也为三维磁场图的开发打开了一扇独特的窗口。这项成果已经在Lazarian和他的学生Diego Gonzales Casanova在《Astrophysical Journal》上发表的一篇相关论文中得到了证实。

为了将这项新技术与传统的偏振测量法进行对比,Lazarian及其团队,包括UW–Madison物理系研究生Yue Hu和天文学研究生Ka Ho Yuen——他们也是《Nature Astronomy》上新文章的主要作者——采用了这种新方法制作出了史密斯云(Smith cloud)的第一个磁场地图。史密斯云是一种神秘的原子氢云,似乎正要撞上银河系的圆盘。而之前对史密斯云的磁场测绘受阻于其微弱的红外辐射,遮挡视线的尘埃和排列在同一视角线上的银河原子氢。

参考资料

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2.天文学名词

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