首次探測到幾光年的星系磁場，距離我們才15000光年！

星系磁場在星系演化中扮演著重要角色，但其小尺度行為仍鮮為人知，它是否滲透到星系光暈也是未知的。通過利用對暈球狀星團(tuán)47TUC中脈沖星的觀測，由馬克斯·普朗克射電天文研究所的費(fèi)德里科·阿巴特領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)國際研究小組，在米蘭雙科大學(xué)和卡利亞里INAF-天文臺開始了這項(xiàng)研究，首次探測幾光年尺度的星系磁場，并在星系團(tuán)的方向發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意想不到的強(qiáng)磁場。

這個(gè)磁場垂直指向星系盤，可以通過與星系風(fēng)的相互作用來解釋。這是一種磁化的流出，從星系盤延伸到周圍的光暈，它的存在以前從未被證明過，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然天文學(xué)》期刊上。

47Tucanae通常被稱為47TUC，是一個(gè)壯觀的球狀星團(tuán)，肉眼可以在靠近小麥哲倫云南部天空看到。1990年澳大利亞帕克斯64米射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了這個(gè)星團(tuán)中的第一顆脈沖星，不久之后，又發(fā)現(xiàn)了更多的脈沖星。

目前在47TUC中已知有25顆脈沖星，因此這個(gè)研究非常充分的球狀星團(tuán)也成為脈沖星天文學(xué)家最關(guān)注的星團(tuán)之一。脈沖星是周期性的源，能讓天文學(xué)家測量所謂的色散測量，即單個(gè)脈沖在不同頻率到達(dá)時(shí)間的延遲。

這一延遲與脈沖星到地球路徑上的自由電子密度成正比。來自馬克斯·普朗克射電天文研究所(MPIfR)的保羅·弗萊雷(Paulo Freire)在47TUC上領(lǐng)導(dǎo)了一系列研究項(xiàng)目：2001年就注意到星團(tuán)遠(yuǎn)側(cè)的脈沖星，比近側(cè)脈沖星有更高的色散測量，這意味著星團(tuán)中存在氣體。

讓47TUC更加有趣的是，這個(gè)星系團(tuán)距離我們約15000光年，位于銀暈中相對未受干擾的區(qū)域。這個(gè)光暈圍繞著星系盤，容納著極少的恒星和極少量氣體。

研究的主要作者、目前在MPIfR工作的費(fèi)德里科·阿巴特(Federico Abbate)說：這個(gè)星團(tuán)中的脈沖星，也可以讓我們對銀河暈中磁場的大尺度幾何學(xué)有一個(gè)獨(dú)特、前所未有的洞察。了解銀河系磁場的幾何形狀和強(qiáng)度，對于描繪一幅完整的銀河系圖景至關(guān)重要。

磁場可以影響恒星的形成，調(diào)節(jié)高能粒子的傳播，并幫助建立星系規(guī)模的氣體從盤狀流出到周圍光暈的存在。盡管它們很重要，但銀河系暈中磁場的大尺度幾何形狀并不完全清楚。

磁場不能直接觀測到，但科學(xué)家們利用磁場對滲透在星系盤上的低密度等離子體的影響。在這種等離子體中，電子從原子核中分離出來，它們的行為就像小磁鐵一樣。電子被磁場吸引，被迫繞磁力線運(yùn)行，發(fā)出被稱為同步輻射的輻射。

除了發(fā)射自己的輻射外，自由電子還會在通過等離子體的極化輻射上留下一個(gè)特殊信號。極化輻射的電磁場總是在同一方向振蕩，磁化介質(zhì)中的電子，會以不同頻率旋轉(zhuǎn)這個(gè)方向不同的量。

這種效應(yīng)被稱為法拉第旋轉(zhuǎn)，只能在無線電頻率下測量。偏振射電發(fā)射的觀測，很好地約束了等離子體足夠密集星系盤中的磁場。然而，在銀河暈中，等離子體密度太低，無法直接觀察到這些效應(yīng)，由于這個(gè)原因，光暈中磁場的幾何形狀和強(qiáng)度是未知的。

模型預(yù)測它可能平行于星系盤，也可能垂直于星系盤。在其他星系中觀察到的結(jié)果表明，存在從星系盤面到暈的磁化外流，也可以解釋銀河系中的漫反射X射線發(fā)射。

對47TUC脈沖星的觀測，也是用澳大利亞的帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡觀測，能夠測量它們的偏振射電發(fā)射和法拉第旋轉(zhuǎn)。這些數(shù)據(jù)揭示了球狀星團(tuán)中磁場的存在，其強(qiáng)度令人驚訝，事實(shí)上，其強(qiáng)大到不能由球狀星團(tuán)本身維持，而是需要位于星系暈中的外部來源。

磁場方向與星系風(fēng)的方向是相容的，垂直于星系盤，而星系風(fēng)和星系團(tuán)的相互作用形成激波，將磁場放大到觀測值。研究揭示了一種研究星系暈磁場的新技術(shù)，這個(gè)星系團(tuán)是用南非貓鼬射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測的完美目標(biāo)。

INAF-Cagliari天文臺的Andrea Posseni與MPIfR一起參與了球狀星團(tuán)脈沖星的研究，在不久的將來，Meerkat望遠(yuǎn)鏡將極大地改善偏振測量，并可能不僅證實(shí)星系風(fēng)的存在，而且還會發(fā)現(xiàn)更性質(zhì)。

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博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學(xué)會

參考期刊《自然天文學(xué)》

DOI: 10.1038/s41550-020-1030-6

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