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。

圖1:賽曼效應示意圖,從(左)沒有磁場、(中)弱磁場、到(右)強磁場。實際上賽曼效應非常微弱,波長的改變不會這麼明顯。圖片來源:[2]

 

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)。

圖2:(左)太陽黑子,以及沿著黑所量測到的(右)光譜。可以看到右圖中的線分開來的,證明太陽黑子有磁場。圖片來源:NSO/AURA/NSF [4]

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]

圖3:蟹狀星雲。圖片來源:NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University) [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]

圖4:黑洞的偏振方向圖。圖片來源:© EHT Collaboration [6]

●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。

圖5:全天的微波背景輻射強度及磁場分佈圖。顏色從藍色到紅色代表背景輻射的強度,線條則代表磁場方向。圖片來源:ESA/Planck [1]

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
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