科学家绘制了银河系的首张磁场地图,这将有助于研究恒星的形成

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科学家绘出迄今最高精度银河磁场结构图

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银河系有自己的磁场。与地球相比,它非常弱,事实上,地球是它的数千倍。但是天文学家想要了解更多关于它的信息,因为它可以告诉我们关于恒星形成、宇宙射线和许多其他天体物理过程的信息。

(图片来源:美国物理学家组织网)

来自澳大利亚科廷大学和联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的一组天文学家一直在研究银河系的磁场,他们发表了最全面的银河系磁场三维测量目录。

据美国物理学家组织网12月7日报道,德国马普研究院天体物理研究所和一个大型国际无线电天文学家研究小组合作,绘制出迄今精度最高的银河磁场结构图,不仅在大尺度上显示了不同天域的法拉第深度,还在小尺度上提供了银河气体涡流的信息。这份独特的银河系法拉第深度全天图揭示了贯穿银河系的磁场结构,表明科学家在精确检测银河系磁场结构方面迈进了一大步。

这篇论文的题目是“利用LOFAR对脉冲星的低频法拉第旋转测量:探测3D星系晕磁场”。该研究结果于2019年4月发表在《皇家天文学会月刊》上。第一作者是夏洛特·索比博士,科廷大学的副教授。这个团队包括来自加拿大、欧洲和南非的科学家。

所有星系都弥漫着磁场,尽管科学家对此已有大量研究,但星系磁场起源仍是个谜。一种银河系发电机理论认为,这些磁场通过发电过程产生,此过程中机械能转化为磁能,这一过程也发生在地球、太阳内部,和电动自行车灯的发电原理并无区别。

该团队与欧洲无线电望远镜LOFAR(即低频阵列)合作。LOFAR的工作频率在250兆赫以下,它由许多天线组成,分布在欧洲1500公里的范围内,其核心在荷兰。

根据法拉第效应,偏振光通过磁介质时会形成偏振旋转面,其旋转依赖于磁场强度和方向,因此观察这种旋转就能研究相关磁场的性质。无线电天文学家国际合作小组提供了来自26个不同研究项目的41330个独立检测的偏振光数据,这些光从遥远的太空穿过银河系到达地球。为克服数据较少和复杂观测过程本身的不确定性问题,MPA科学家利用信息场理论中的新工具,结合逻辑和统计方法开发出一种新算法来重建图像,绘制出该法拉第深度全天图,为进一步理解银河系发电机理论提供了更多信息,对研究星系磁场起源具有重要意义。

该小组汇集了迄今为止最大的关于磁场强度和脉冲星方向的目录。有了这些数据,他们就能估计出银河系的磁场强度随着距离螺旋臂所在的星系平面的距离而减弱。

除绘制出详细的法拉第深度图,他们还对银盘区和观察值较少的南部天极区域绘制了不确定性图。将图中的银盘效果去除后,银盘上下本来不明显的磁场更加清晰,凸显出银河系磁场的结构:磁场在主体上对称平行于银盘平面,呈现出环形或螺旋形的结构,螺旋方向与银盘上下位置相反。星系发电机理论曾预测出这种对称结构,法拉第全天图为此提供了支持。

第一作者索比说:“我们使用脉冲星来有效地探测星系的三维磁场。脉冲星分布在整个银河系,银河系中介入的物质会影响它们的无线电波发射。”

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我们星系中脉冲星和我们之间的自由电子和磁场会影响脉冲星发出的无线电波。索比博士说:“尽管为了研究脉冲星的信号,这些影响需要被纠正,但它们确实有助于提供我们的星系的信息,否则是不可能获得的。”

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当脉冲星的无线电波在星系中传播时,由于其间的自由电子,它们会受到一种叫做弥散效应的影响。这意味着高频无线电波比低频无线电波到达得更早。LOFAR的数据允许天文学家测量这种差异,称为“色散测量”或DM。DM告诉天文学家在我们和脉冲星之间有多少自由电子。如果DM值更高,那就意味着脉冲星离我们更远,或者星际介质的密度更大。

这只是测量银河系磁场的因素之一。另一个涉及到电子密度和星际介质的磁场。