TIPS：本文共有 3145 个字，阅读大概需要 7 分钟。
二十世纪三十年代，天文学家就开始讨论银河系广阔的星际空间存在磁场的可能性。四十年代起，发现了一些确凿的证据，表明星际空间确实存在磁场。但是，对星际磁场的较可靠的测量却是六十年代以后的事。观测表明，宇宙线基本上是各向同性的。但宇宙线来源于银河系，而银河系里的天体的分布并不是各向同性的，如果认为银河系里存在磁场，这种矛盾就可以解决。宇宙线的主要成分是带电的原子和α 粒子。磁场的存在能使这些带电粒子改变运动方向。由于星际空间的磁场形状很复杂，本来可能是分布不均匀的宇宙线，到达地球时就可能成为各向同性了。
银河系的背景射电辐射具有非热辐射的性质。最合理的解释是，背景射电辐射是相对论性电子在磁场中运动时产生的同步加速辐射。有些弥漫星云具有纤维状结构，表明那里存在着磁场。许多弥漫星云呈扁长形，而且大多同银道面相平行，这说明银河系里存在着平行于银道面的磁场。1949年，J.S.霍尔等人发现，很多恒星的光具有微小的偏振。一般说来恒星越远，星光偏振度也越大。这种星光的偏振不是由星际气体而是由星际尘埃造成的。星际尘埃呈长条形，而且排列有规律，才会引起星光偏振，否则，即使每粒尘埃可引起星光偏振，但平均效果也会互相抵消。这些长条形的尘埃之所以有规律地排列，就是磁场作用的结果。
澳大利亚阿德莱德大学(the University of Adelaide)参加的一项国际研究项目显示，银河系中心磁场强度至少是银河其他星系的10倍。这个发现意义重大，因为它向天文学家提供了一个磁场的下限值，而磁场的下限值是计算一系列天文数据中一个非常重要的因素。来自德国马普核子物理所(Max-Planck-Institute for Nuclear Physics)、阿德莱德大学、莫纳什大学(Monash)和美国的研究人员在《自然》(Nature)上刊登了这个发现。当这个研究项目在莫纳什大学和阿德莱德大学的化学物理系启动的时候，罗兰·克罗克(Roland Crocker)博士和大卫·琼斯(David Jones )博士都投身研究该项目。这两位物理学家现在都在德国海德尔堡(Heidelberg)的马普核子物理所工作。琼斯博士在阿德莱德大学获得了博士学位(PhD)，在导师雷蒙德·普鲁塞热(Raymond Protheroe)博士的指导下，主修银河中心磁场学。据了解，普鲁塞热博士是阿德莱德大学物理学副教授，而克罗克博士曾是该大学的博士后研究员。
这项研究向各天文学家的观点发起了挑战。在过去的30年里，人们还无法完全确定银河系中心磁场的准确值。自从几乎所有的外太空都受到磁化以来，该磁场的强度就纳入了大部分的天文学计算中。这项发现将影响各种磁场理论，从恒星形成理论到宇宙论，如果银河系中心磁场比我们想象的还强，这将引发诸如在早期宇宙的磁场还相当微弱的时候，它是如何发展到如此强大?这样的一些新问题。众所周知，超过10%的银河系磁场能量都集中在了不足银河系0.1%的体积中，而这正位于银河系中心。”银河不断发出因高能粒子碰撞而产生的无线电波和伽马射线，在银河系中心处亮度最高。知道磁场位置在那儿，这能够帮助我们更好地了解无线电波和伽马射线的来源。”
近年来，马普天体物理所(MPA)的科学家使用独特的全新全天图以空前的精度测绘了银河系的磁场结构。具体说来，这张天图描绘的是名为法拉第深度的物理量，它与视线方向的磁场强烈相关。为了绘制这张天图，人们使用了新颖的图像重构技术合并了超过41000次测量的数据。这项工作是来自马普天体物理所(MPA)精于信息场理论这一新学科的科学家以及大型国际射电天文学小组的合作项目。新的天图不仅揭示出了银河系大尺度的磁场结构，还给出了小尺度的特征，这为银河系气体的湍动提供了信息。包括我们银河系在内的所有星系都被磁场弥漫着。虽然进行了大量的研究，银河磁场的起源仍旧是未知的。不过一种理论假设，它们是由将机械能转化为磁场能的发电机过程构筑起来的。类似的过程发生在地球和太阳内部，广义来说也是通过脚蹬为自行车灯供能的部件的原理。通过揭示整个银河系内的磁场结构，新的天图为揭示银河发电机机制提供了重要线索。
测量宇宙磁场的一个手段是使用名为法拉第旋转的效应，150多年之前人们就已经知道了这一点。当偏振光穿过磁化介质的时候，偏振面会发生旋转。旋转量取决于磁场的强度与方向。因此观测这样的旋转就可以来研究介质磁场的性质。为了测量我们银河系的磁场，射电天文学家观测来自遥远射电源的偏振光，这样的辐射在前往地球的过程中要穿过银河系。在几个波段上测量辐射的偏振度，就可以推测出法拉第旋转的数量。每次测量只能提供银河系某个方向上的信息。为了通过法拉第测量来描绘银河系磁场的完整图像，必须要观测分布在全天各个地方的辐射源。一个大型国际射电天文学小组提供了来自26个不同项目的数据，包括总计41330次测量。平均来说，完整的辐射源表在每一平方度的天区内都大约有一个射电源。
哪怕有了如此多的数据，都只能做到零星覆盖。目前人们对剩下的大片天区(尤其是在南天)只进行过相对很少的几次测量。因此为了获取全天相对真实的天图，人们必须要对已有数据点进行插值。这里就出现了两个疑难。首先，相对测量精度变化很大，而更精确的测量应该占据更大的权重。另外单独一个测量数据点可以提供关于周边环境多大范围的可靠信息也是未知的。因此这一信息必须直接从数据本身推测出来。另外还有一个问题。由于高度复杂的测量过程，测量的不确定性本身也是不确定的。因此一小部分(但是也是相当一部分)数据的实际测量误差要比天文学家宣称的大上10倍还多。如果不改正这一效应，这些局外点估计到的精度会大大扭曲天空图的模样。
为了解决这些问题，MPA的科学家开发了名为“延展临界滤镜(extended critical filter)”的图像重构新算法。为了开发这一算法，小组使用了名为信息场理论的新学科提供的工具。信息场理论结合了应用于场量的逻辑学和统计学手段，是处理不精确信息的强有力工具。这一手段通用性很强，可以用于不同的图像以及信号处理，它不仅仅局限于天文学，也可以用于医药、地理等其他学科。除了详细的法拉第深度图(图1)之外，这一算法还给出了不确定性的天空分布图(图2)。不确定性在银盘面以及南天极附近观测较少的区域尤其大。为了更好地突出银河系磁场的结构，图3中银盘的影响已经被去除了，提高了银盘上下方较弱结构特征的可见度。这不仅揭示出了图象中央显著的银河系气体盘水平带，还显示出银盘上下方磁场方向看上去是相反的。类似的方向变化还发生在图中的左右两侧，对应银河系中心两旁。
某种银河系发电机理论的模型预言过这样的对称结构，这得到了新天图的支持。在这一理论中，磁场主要以环状或螺旋状平行于银盘面。螺旋的方向在银盘上下是相反的(见图3)。法拉第图中所见的对称性源自我们在银盘内所处的位置。除了这些大尺度结构，图中也可以看到一些小尺度结构。它们与银河系高度活跃的气体旋涡和团块相关。作为副产品，新的天图绘制算法给出了对这些湍动结构尺度分布的度量，也就是所谓的功率谱。与典型的湍动系统一样，大尺度结构比小尺度更为显著。功率谱可以直接用来与银河系内湍动气体以及磁场动力学的计算机模拟结果相比较，这样可以更仔细地检验银河系发电机模型。新的天图不仅对于银河系研究来说很引人注目，未来对河外星系磁场的研究也会用到这张图来计算银河系的污染。预计在接下来几年到几十年的时间里，下一代射电望远镜如LOFAR、eVLA、ASKAP、meerkat以及SKA将问世，人们会使用它们得出对法拉第效应的新测量。新的数据将立即更新法拉第天空的图像。也许这张天图会为银河系磁场隐匿的起源指明方向。
我们转型不易，新知识内容立足于正能量、实用，觉得《银河系中央强磁场来源何处》对你有帮助，请留言收藏！
