宇宙中的「磁」

宇宙中到處都有磁場！磁場是自然界最基本的性質之一，它如何影響天體、宇宙的演化則還是未解之謎。藉由對光譜以及光的偏振有更好的量測，現在的天文學家得以一步步揭開宇宙中磁場的分佈。本文將介紹觀測宇宙中磁場的方法，以及關於太陽黑子、黑洞、一些磁場的觀測結果。

撰文｜許世穎

●宇宙中也有磁場

地球的內部就像個大磁鐵一樣，產生了將整個地球包覆起來的磁場。磁性是自然界最基本的性質之一，宇宙中的其他地方也有磁場。觀測外天體的磁場對於我們深入瞭解它們的性成、演化都非常重要。

我們之所以能知道地磁的存在是因為「磁鐵」，磁場本身並沒有辦法直接「看」到。宇宙中的磁場當然也是看不到的，我們只能藉由其他的媒介來回推它的存在，這個媒介當然就是「電磁波」，也就是「光」。接下來就介紹幾種讓人們能從宇宙中觀測出磁場的機制吧！

●塞曼效應（Zeeman Effect）：量測太陽黑子

每種原子有著自己的能量穩定態，當它從高能量態變成低能量態時，就會放射出光。放射出來的光所具有的能量就等於高低兩種狀態之間的能量差。反過來，原子吸收了特定能量的光以後，也能從低能量態跳到高能量態。每種原子有著屬於它自己的光譜譜線組合，稱為原子光譜。（延伸閱讀：把光拆開來看：天文學中的光譜）

在磁場的影響下，原子的能量會產生微小的變化，讓這些譜線會「分裂」成好幾條（如圖1），這個現象叫做「塞曼效應（Zeeman effect）」。物質所在的環境磁場愈強，譜線就分得愈開。藉由量測譜線分裂的程度，我們就可以知道磁場有多強。

 

天文研究上利用塞曼效應最著名的成果，就是量測太陽黑子的磁場。太陽黑子是太陽表面的黑斑，是太陽表面比較低溫的區域（約3000至4000 K）。藉由賽曼效應，我們發現太陽黑子的區域具有強烈的磁場，大約是地磁的一萬倍！即便有這麼強的磁場，這個波長分裂也不過就是原來波長的萬分之一左右而已 [3]，不使用精密測量的儀器是絕對看不出來的（圖2）。

眾所皆知，地球也是有磁場的。地球的磁場從南極出發繞過半個地球至北極沒入。地球、太陽等這些天體中的磁場產生原因有個「發電機理論（Dynamo theory）」，認為天體內部的導電流體是磁場的來源。地球內部的地核成分就被認為是可以導電的鐵合金，在高溫下流動的鐵合金產生了一圈圈的磁場。

●偏振光與同步輻射

另一個觀察宇宙中磁場的方法就是光的「偏振（polarization）」。光是經由電場、磁場相互震盪所傳遞的。當一束光的電場全部都固定在同一個方向上震盪，這束光就是線偏振（Linear polarization）。如果一束光的電場震盪方向像時鐘的指針一樣會漸漸旋轉，則稱為圓偏振（Circular polarization）。一般常見的自然界光源光並沒有特定的電場震盪方向，也就是電場沿著各種方向震盪的都有，這樣的光則稱為「非偏振光（Unpolarized light）」。

非偏振光經過特殊的環境後，可能會變成偏振光。最簡單的方法就是加入「偏振片」。偏振片能把特定偏振方向的光過濾掉、只讓另一個偏振方向的光通過， 有點類似白光通過紅色的玻璃紙就會只剩下紅光一樣。

除此之外，一束光打到介面的時候，與介面平行偏振的光會比較容易反射。讀者們如果在白天去到海邊的話，因為海面反射太陽光的緣故，有時候應該會感覺到海面特別刺眼。這些刺眼的反射光當中，平行海面偏振的光就會比其他方向來的多。這個時候「偏光眼鏡」就特別好用。所謂的「偏光」太陽眼鏡就是加入了偏振片，一般來說是把水平的光過濾掉。就算鏡片是透明的，也能把海面反射的光過濾掉很大一部分。

帶電粒子在磁場中會螺旋繞轉，並且放出電磁波。高速行進中的帶電粒子在磁場中繞轉所放出來的電磁波稱為「同步輻射（Synchrotron radiation）」。同步輻射機制下所放出來的光具有兩個特性：特殊的光譜、以及偏振性。

不是所有天體都能夠發射同步物輻射的，得將帶電粒子加速的夠快、還要有強烈的磁場。其中一種天體稱為「脈衝星風雲（pulsar wind nebula）」。蟹狀星雲（Crab nebula）就是一個好的例子（圖3）。蟹狀星雲是1054年一顆超新星SN 1054爆炸後的遺骸。爆炸後在中央留有一顆中子星，周圍則被雲氣環繞。在可見光波段下五彩繽紛、非常漂亮。仔細看的話可以看到一片迷濛的藍色光芒，就被認為是中央那顆中子星的磁場帶來的影響。[5]

黑洞附近也被認為是會產生同步輻射的地方，在2019年發表了人類史上第一張黑洞相片以後，今年中研院所參與的團隊則更進一步發表了黑洞周遭的光偏振（圖4）。從偏振的圖像當中，科學家能回推磁場的分佈，讓我們對黑洞更加理解。 [6][7]

●法拉第旋轉：量測星際介質

當偏振光經過帶有介質的磁場時，偏振方向會旋轉，這個現象稱為「法拉第旋轉（Faraday rotation）」。磁場愈強，偏振方向改變愈多。法拉第旋轉是天文學量測磁場非常重要的工具，藉由量測光偏振方向改變了多少，就能推知光源到我們之間的介質具有多強的磁場。這個方法主要被用在觀測分布在宇宙各處的星際介質（圖5）。

除了本文所介紹的以外，宇宙中還有很多關於磁場的觀測，也還有許多的謎團沒有解開。這些磁場如何出現？這些磁場如何影響天體？磁場如何影響整個宇宙的演化？這些研究都還是現在進行式，期待未來的研究能帶給我們答案。

參考資料：

1. [1] 每日一天文圖 (成大物理分站) Astronomy Picture of the Day: 2020 June 17
2. [2] Explanation of how the magnetic field on a star affects the light emitted
3. [3] Physics Courses / The Zeeman Effect
4. [4] NOIRLab / Sunspot with spectrum
5. [5]wiki / Crab Nebula
6. [6] EHT / Astronomers Image Magnetic Fields at the Edge of M87’s Black Hole
7. [7] 中研院院訊 / 探索黑洞更進一步！EHT公布M87星系偏振光影像 直擊黑洞磁場