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星系磁场的起源是什么？FAST将启程探索之旅

日期： 来源：赛先生收集编辑：李晨睿 庆道冲
导读：
      自然界的基本力中，唯有引力和电磁力能够在巨大尺度上传播，跨越广袤的时空，抵达人类居所。自爱因斯坦的广义相对论问世以来，引力场一直被直观地刻画为围绕重力弯曲的时空网格。如今，引力场被认为是塑造整个宇宙的力量，但磁场的图像与作用却一直不够清晰，甚至连起源都是个谜。
      关于星系磁场的起源有很多假说，包括发电机理论、原初磁场理论等，而中国的500米口径球面射电望远镜（FAST）为验证这些假说提供了一个前所未有的机会，至今已做出许多重要的工作。  

李晨睿 庆道冲 ｜ 撰文

王馨心 ｜ 编辑

  1. 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。

战国时期，天然磁石的南北指向属性在中国被发现与使用；1600年，英国科学家威廉·吉尔伯特（William Gilbert）通过球形磁铁推测地球本身是一块“巨大的磁铁”，而小磁针总会指向地球的两极；1820年，丹麦物理学家奥斯特（Ørsted）的电流偏转磁针实验将特殊的磁性物质与流动的电荷归结为同一起源；1949年，美国天文学家约翰·霍尔（John Hall）和威廉·希尔特纳（William Hiltner）发现恒星间遍布的尘埃粒子会在银河系磁场中整齐排布，当星光穿越布满尘埃的星际介质时会被散射，从而使我们观测到偏振光。随着人类对磁场的理解一步步深入，更多的谜团也同时浮出水面。
过去几十年中，星系磁场一直是天文学家们探索的热门话题之一，它们在宇宙中广泛分布，影响着恒星形成与星系演化。然而，关于星系磁场的起源还存在着许多未解之谜。科学家们提出了各种理论来解释星系磁场的起源，其中发电机理论与原初磁场理论被广泛讨论、检验与修正。

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。

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发电机理论

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。

随后，美国天体物理学家尤金·帕克（E.N. Parker）将发电机理论引申到恒星[2]与银河系尺度[3]。在星系尺度，我们同样拥有发电机理论所需要的条件：运动的导体（如星际气体）、种子磁场和自激增长机制。种子磁场可以是来自宇宙初期的原始磁场，也可以是来自恒星或其他天体的磁场。气体在流动时携带电荷，从而产生电流。这些由运动电流产生的磁场被气体扭曲和拉伸，形成更复杂的磁场结构。同时，气体的湍流和漩涡运动可以进一步增强磁场，形成一个正反馈回路。
我们可以用以下步骤来描述一个星系磁场的建立[4]：
  • 种子磁场
几乎所有关于“第一个…怎样产生”的问题都是一个谜。一种理论认为原始的磁场可以追溯到大爆炸时期，先于我们现今所认识到的各种天体结构：如在早期宇宙相变期间[注1]生成[5]；或者起源于宇宙结构形成时的魏贝尔不稳定性（Weibel instability，注2）[6]；另一种理论则认为种子磁场来源于恒星活动产生的局部磁场：如来自第一代恒星或由第一批黑洞生成的喷流注入[7]；来自第一颗超新星遗迹中的比尔曼机制（Biermann battery，注3）[8]等等。
  • 种子磁场的放大
种子磁场受到星际气体的流体动力学效应而被放大的现象被称为小尺度发电机。如恒星星风与超新星遗迹产生的激波，或仅仅由于随机的气体湍动，会使磁化流体产生压缩，涡旋和剪切等运动。这些对磁力线的拉伸和扭曲使其成为漩涡状，由此增加了磁场强度，这就是α效应。在原星系中，这种机制可以在不到1亿年的时间内就将弱种子场放大到几微高斯的强度（达到与湍流能量平衡的程度）[9]。
  • 小尺度随机场的排序
数值模拟表明星系的较差旋转（differential rotation）会快速放大与排序随机分布的小尺度磁场[10]。由于星系的较差旋转中，磁力线在不同半径处的自转速度不同，磁力线会在不同半径上扭曲和拉伸，从而交错在一起并形成类似于螺旋桨的形状（Ω效应）。随着时间的推移，这种交错会使磁场变得更加有序，形成螺旋臂状结构。这是一项耗时的大工程，排序过程中，有序的磁场形成螺旋臂段，但数值模拟得出的结论告诉我们不同处的旋臂结构会在角向反转，呈现出区域的各向异性，这可以解释银河系中观测到的悬臂间磁场反转。
  • 大尺度磁场的维持
上述α效应和Ω效应在星系演化过程中协同作用，被进一步细化称为“α-Ω 发电机理论”，小尺度涡旋和湍流等不规则运动会产生α效应，而星系大尺度旋转会产生Ω效应，经过约10亿年[11]的演化，小尺度的种子磁场可以被放大成为大尺度的星系磁场，并产生相应的磁场拓扑结构。如下图所示。
图2：可能产生大尺度有序磁场的各种途径。图片来源：参考文献[12]
当然，磁场的维持需要增强与耗散二者的平衡。这就为发电机理论提出了要求。在经典发电机方程中，星系的磁扩散率很高，如果没有大小尺度发电机源源不断的磁场注入，磁场将会迅速衰减[13]。
不同方面的观测证据都支持了发电机理论作为磁场起源的解释：
对于磁场形态：许多观测到的星系皆存在有序，连贯，且呈螺旋状的大尺度磁场，这与发电机理论的预测一致。
对于磁场强度：观测到的星系磁场通常在微高斯到毫高斯的范围内，强度远大于宇宙学理论预测的种子磁场强度，却与通过发电机理论计算放大的磁场一致。
另一个有说服力的证据是星系射电和红外辐射的观测，研究表明两种辐射存在很强的相关性[14]。如果我们将射电辐射的概念转化为磁场强度，将红外辐射的概念转化为恒星形成率，那么磁场强度与恒星形成率之间则会有很高的关联性[15]，这与小尺度发电机模型所预测的现象一致。

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

SAIXIANSHENG
原初磁场理论

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]。

经过理论计算，仅由星系盘收缩与较差旋转放大后的星系磁场上限为10-7高斯，仍没有达到我们现在微高斯量级的测量值（这里采用了对此理论更有利的原初均匀磁场理论上限值10-13高斯。另一方面，时间上的计算也使我们暂且得出结论：宇宙原初磁场不可能作为星系大尺度磁场的起源。星系的磁场漩涡结构的形成需要不少于1亿年的时间[17]，考虑到原始星系的收缩则需要100亿年，原星系磁场则必须至少在10-18 高斯的数量级上才能在100亿年内被放大到当前值10-6 高斯，而目前原星系磁场理论值上限为10-21 高斯 [4]。
目前，宇宙中存在原初磁场的证据为：HESS和FERMI的高能γ射线观测表明二次粒子被宇宙间的磁场偏转[18]。即在我们认为没有可见结构的宇宙空洞中可能存在磁场。
耀变体的高能辐射由来自于超大质量黑洞的伽马射线和其他高能的光线及物质组成。当伽玛射线在太空中传播时，它们有时会与来自早期宇宙的微波辐射光子发生碰撞，变成电子和正电子。由此，高能伽马射线就会变成低能伽马射线。但如果耀变体的明亮光束穿过一个磁化的空洞，磁场会使电子和正电子偏转到视线之外，低能量的伽马射线似乎就会在我们视线方向消失。但是，这样“测不到”的方法似乎有些难以服众。
图4：星际磁场使blazars发出的γ射线偏转。图片来源：参考文献[19]
2019年，一篇发表在《科学》上的文章成功对星系团之间（intracluster）的广阔空间进行了探测，发现了迄今最大尺度——连接两个星系团的磁场。他们使用LOFAR（国际低频阵列射电望远镜）探测到了星系团Abell 399和Abell 401之间纤维中的同步辐射[20]。天体物理学家对此进行了最先进的计算机模拟，并发现这与单个星系的活动、单次爆炸，或者超新星风没有关系，或者说，远远不止于此[21]。星系团间发现的磁场将科学家们的目光引向宇宙更早期、更大尺度的因素。
2021年中国理论物理所的一项研究，成功模拟了宇宙磁场在第一次电弱相变中的生成过程，并计算了其功率谱[22]。结果表明，第一次相变中生成的磁场强度可达到10-7高斯！这远远超过了以往的理论预测值。这些种子磁场可能会在之后演化成更大尺度的宇宙磁场，从而影响到星系和星系团的演化。
图5: 星系团Abell399和Abell401区域低频射电发射和X射线发射的图像，红色区域为X射线发射，蓝色区域与轮廓为LOFAR检测到的140MHz射电发射区域。图片来源：参考文献[20]
SAIXIANSHENG
星系磁场的观测方法

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。

图6：不同模型下的盘星系磁场结构：（a）星系盘平面观测轴对称螺旋结构（b）星系盘平面观测双对称螺旋结构（c）星系侧面观测四极磁场结构（偶宇称）（d）星系侧面观测奇宇称。图片来源：参考文献[13]
由此可知，对于星系磁场起源理论的探索，数值和形态学两方面的证据都十分必要。因此我们既需要磁场的分布与几何形态上的信息，也需要对于星系各处磁场强度更精确的测量。
常见的星系磁场测量方法并不止一种[23]，直接测量磁场的方法有：
  • 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]。

图7：银河系全天图（a）同步辐射发射和（b）1400MHz处的偏振发射，（c）23GHz同步辐射发射以及WMAP观测的E向量的（d）使用Planck观测的30GHz同步辐射发射。图片来源：参考文献[26]
SAIXIANSHENG
FAST的潜力

塞曼效应作为唯一能直接测量星际磁场强度的方法，目前只有HI、OH两种系统性探针以及CN，CCS等其他探针的零星测量数据[27,28]。受限于塞曼效应探针的化学丰度分布与物理激发性质，各种探针都有固定的测量密度范围: HI利于测量低密度范围10-100/立方厘米, OH适于测量中等密度范围1000-10000/立方厘米, 而CN测量高密度范围105.3 -106.3/立方厘米的气体。因此，拓展新的塞曼效应系统性探针是当前研究星际磁场的主要发展趋势之一。
作为世界上最灵敏的分米波段射电望远镜，FAST对于进行系统性塞曼效应测量有着巨大的潜力。利用国家天文台李菂研究员提出并发展的中性氢窄线自吸收方法[29](HI Narrow Self-Absorption, HINSA)，笔者完成了FAST谱线偏振的精确定标工作，并于2022年初在《自然》期刊发表了首次的HINSA塞曼效应观测[21]。结合类星体吸收线、中性氢发射线塞曼效应的测量，HINSA塞曼效应揭示了贯穿星际介质冷中性原子态、过渡态及致密分子态的协睦磁场，跨越了几个数量级的气体密度。其约为4微高斯的强度只有地球磁场的十万分之一，已经不能抵抗冷分子云的重力塌缩，表明其正处于磁超临界状态。这一发现挑战了经典的“双极耗散”模型，使得恒星形成领域的三大难题之一的“磁通量”问题变得更为严峻。
FAST相关团队现今正在系统性地推进塞曼效应方面的观测和分析。HI和HINSA广泛存在于分子云及冷中性介质中，是唯二适于进行银河系尺度塞曼效应巡天的探针。结合FAST的优先重大项目“FAST漂移扫描多科学目标同时巡天（CRAFTS）”与19波束接收机的谱线偏振定标成果，我们有望突破之前阿雷西博 (Arecibo)等其他大型单天线望远镜只能进行塞曼效应单点观测的瓶颈。通过有效的数据叠加，我们也有望实现首次银河系尺度塞曼效应的系统测量，获得星际磁场强度的首张三维分布图。

图8：此研究成果获选为《自然》期刊2022年第一期封面文章，并获得高度评价[32]。图片来源：https://www.science.org/content/article/stars-may-form-10-times-faster-thought
目前银河系磁场结构的模型主要来自于脉冲星的法拉第旋转测量[31，26]。由于法拉第旋转计算磁场强度的方法中的电子密度与磁场强度耦合，其主要用来视踪温离子介质或热离子介质的磁场结构。因此，结合塞曼效应巡天、法拉第旋转巡天可以更完整地揭示银河系不同星际介质成分的磁场结构，达到相辅相成的效果。
FAST塞曼效应巡天预计可揭示银河系磁场精细结构，回答银河系中心费米气泡是否由磁场驱动、银河系磁场起源是否符合发动机理论以及银河系磁场结构在不同悬臂结构反转机制等前沿问题，并最终推进人类对宇宙磁场起源的理解。
注释：
注1：早期宇宙相变期间产生的磁场，一种说法为夸克胶子等离子体相变（QCD相变）时产生的，在这个过程中，等离子体会因为温度梯度或速度梯度产生旋转，从而形成螺旋场（helical fields），为发电机理论的种子磁场；另一种说法为一阶电弱相变期间产生的（EW相变），宇宙从一种高温高能态转变为一种低温低能态，这个过程是通过在宇宙中形成具有不同真空状态的气泡来实现的。这些相变气泡在宇宙中相互碰撞，气泡壁上的希格斯场梯度可以引起种子磁场的产生。
注2：魏贝尔不稳定性是一种在等离子体中发生的不稳定性现象，当等离子体中的电子群和离子群相向流动时，这两种离子群之间运动的不稳定性会导致磁场的产生和扰动。即将离子群的动能转化为磁场能量。且离子群的运动速度与磁场方向不一致时会导致磁场的进一步增强。
注3：比尔曼机制也是一种等离子效应，由与密度不平行的电子压力的空间梯度产生的电流导致。即使没有宇宙学磁场存在的初始条件，在原始超新星遗迹的气泡和星际介质冲击区域也会产生磁场，此为种子磁场纯粹的天体物理起源。

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。

参考文献（可滑动阅读）：

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[32] https://www.science.org/content/article/stars-may-form-10-times-faster-thought



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