1、宇宙磁現象 Jacky_Su1宇宙磁現象宇宙磁現象宇宙磁現象是指地球以外的各種星體和星體之間的星際空間的磁現象。宇宙磁現象所涉及的空間範圍和時間尺度都遠超過地球。因此在這裏只能選取其中一部分大家可能更爲關心和更感興趣的宇宙磁現象，如阿爾法()磁譜儀上天(空間)探測、 “阿波羅”飛船登月測月磁、太陽磁活動與太空氣象學、脈衝星與超強磁場。太陽磁場與太陽黑子太陽黑子是在太陽表面出現的很小的較暗的區域。觀測表明黑子出現的數目、大小和位置都是隨時間變化的。進一步研究表明，太陽黑子是一種太陽磁場引起的局部區域溫度降低、發光減弱的現象。太陽黑子也是很早就有了觀察記載，但直到近代通過觀測和研究才認識到太陽黑子
2、的出現和變化是同太陽的磁場活動密切相關的。太陽的黑子活動不但同太陽的結構和活動等密切相關，而且對於我們地球也有影響。所以太陽黑子的觀察研究受到重視。圖 1 是我國北京天文臺建造的太陽磁場望遠鏡，其建造規模和觀測研究都居於世界前列。圖 1、太陽磁場望遠鏡阿爾法()磁譜儀空間探測阿爾法() 磁譜儀是 1998 年人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀。它利用強磁場和精密探測器來探測宇宙空間的反物質和暗物質，探索和研究宇宙物理學、基本粒子物理學和宇宙演化學的一些重大和疑難問題，例如尋找磁單極子等。最早的阿爾發磁譜儀是 1998 年由“發現號”太空梭載入太空，進行了約 10 天的試驗性探測。圖 2 是這次
3、所用的阿爾法磁譜儀中由中國科學家設計製造的關鍵部件永磁體系統，左下圖是在“和平號”空間站上拍攝的在“發現號”太空梭上的阿爾法磁譜儀。計劃在 2003 年將阿爾法磁譜儀送到國際空間站工作 35 年，進行較長時期對空間反物質和暗物質等的探測。阿爾法磁譜儀(英文縮寫爲 AMS)的研製工作是由美籍華裔物理學家、1976 年度諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中教授提出並領導的一個大型的國宇宙磁現象 Jacky_Su2際合作科學研究專案，由美國和中國等 10 多個國家和地區的 37 個科研機構參加科研工作。其主要目的是尋找太空中的反物質和暗物質，以及解決其他一些重大科學問題。反物質是指由質量相同但電荷符號相反的反
4、電子(即正電子)、反質子和反中子組成的反原子構成的物質，如反氦和反碳等。暗物質是指不能用光學方法探測到的物質。根據現代科學研究中的一些學說，宇宙中除一般見到的物質(即正物質)以外，應還存在反物質；除用光學方法探測到的一般物質以外，應還存在用光學方法探測不到的暗物質。這些物質在磁場中運動時會表現出不同的特點，因而可以用探測器探測出來。阿爾法磁譜儀主要由磁系統和靈敏探測器等構成。圖 2、阿爾法磁譜儀的關鍵部件永磁體這套既具有重要的科學意義，又應用高新技術的阿爾法磁譜儀的提出和領導者美籍華裔物理學家丁肇中教授的祖籍爲山東省日照縣。因父親和母親都在美國留學而出生在美國(1936) 。回到中國後不久抗日
5、戰爭爆發，隨父母到四川度過童年。後又同父母到臺灣。1956 年去美國留學，最初在工學院學習，後轉入物理系學習。在取得博士學位後，便從事物理研究工作。1974 年同其領導的實驗小組發現 J 粒子，兩年後(1976)丁肇中教授因這項重要發現而獲得諾貝爾物理學獎。1993 年由丁肇中教授發起，邀請美國和中國等 10 多個國家和地區的科學家組成國際合作研究的阿爾法磁譜儀實驗組。在阿爾法磁譜儀的研究中，由中國科學家完成了大型的稀土永磁鐵系統(圖 2)的設計、製造和安裝等工作。可以看出，阿爾法磁譜儀是當代宇宙磁學中的一項重要的研究和應用成果。我們中國在這項重要的研究和應用中也作出了重要的貢獻。“阿波羅”飛
6、船測月磁在上個世紀(20 世紀)60 年代的“阿波羅”飛船載人飛上月球以前，人類對於地球以外的天體的觀測都是依靠人眼或望遠鏡。直到“阿波羅”飛船載人飛上月球，人類才開始了對地外天體的直接觀測和研究。在航太人員對月球的許多直接觀察、測量和研究中，關於月球的磁場和月岩磁性的觀察、測量和研究也是一項重要的工作，並且取得了很有意義的結果。圖 3 顯示出“阿波羅 12 號”飛船的登上月球的宇航員和三分量月磁場測量設備的照片。宇航員便利用這套磁場測量設備測量了月球表面和月球上空的月球磁場的 3 個分量，宇航員還將採取的月球岩石(簡稱月岩)帶回宇宙磁現象 Jacky_Su3地球，並通過測量月岩的磁性，可以推
7、斷出月岩形成時的月球磁場，正像由地球的古岩石的磁性推斷出地質時期的地球磁場一樣。我國也曾得到少量的贈送的月岩樣品，並對其進行了一定的測量和研究。圖 3、“阿波羅”飛船測月磁從多次登月對月球磁場和月岩磁性的測量和研究中得到了關於月球結構和演化等的一些重要資訊。例如,月球磁場強度僅爲地球磁場的大約百分之一(1%),遠低於地球磁場，而且磁場強度分佈很不均勻，也不像地球磁場來自地球的磁北極和磁南極；又例如，月岩中的強磁性物質主要是鐵和鐵合金，不像地球岩石中的強磁性物質主要是鐵的氧化物或鐵的其他化合物，表明月球上長期缺乏氧氣等氣氛。再經過進一步的科學研究和分析，可以從月岩剩餘磁性推論古代月球磁場遠強於現
8、在的月球磁場，而同現在的地球磁場相近；又可以從現在月球的變化磁場推論它是由太陽發射的帶電粒子流即太陽風在月球內部因電磁感應作用所産生的，因而可推算月球內部岩石的電導率及其分佈情況，再結合對月岩的其他科學研究，又可以進一步科學推論月球內部爲固態物質，不像地球內部有液態物質。再從這些觀測分析和研究，使得關於月球磁場來源的模型和學說多達 20 多種。特別值得注意的是，由月球磁場的觀測研究可以推斷月球的內部結構和物態，這在現代天文學和宇宙學的觀測研究上是十分少見的。磁場與空間氣象學現代人類已進入空間時代，空間環境對人和生物等的影響已受到特別的關注，其中的空間氣候如太陽風等便同太陽磁場和太陽系磁場有關密
9、切的關係。前面已經講到，太陽風是由太陽上的能量高的帶電粒子如電子、質子等從太陽表面噴射到太陽外的太陽系空間甚至更遠的空間。由於太陽風中粒子帶有電荷，因此也將太陽磁場帶入太陽系空間甚至更遠的空間，形成太陽系行星空間的行星際磁場。圖 4 中便是太陽系行星際磁場的方向。因爲太陽風含有高能量帶電粒子，這對於行星際中的空間飛行器，特別是對飛行器的人和生物等是有傷害的。因此對劇烈的太陽風的預報和預防是特別需要的。如何預報劇烈的太陽風？因爲太陽風是從太陽發射出來的帶太陽磁場的高能量帶電粒子，是太陽的磁活動，如太陽黑子和太陽耀斑等産生的。這就需要預報太陽的劇烈磁活動。太陽黑子和太陽耀斑是可以從太陽光觀測出來的
10、。光的傳播速度是遠高宇宙磁現象 Jacky_Su4於高能帶電粒子的運動速度的，因此只要觀測到太陽黑子和太陽耀斑等劇烈活動的光信號，便可以預測和預報劇烈太陽風的時間。這樣就可以對行星際空間將要發生的劇烈太陽風進行預測和預報了。當然這就需要更多和更深入地研究各種太陽磁活動、特別是劇烈太陽磁活動的産生機制和各種影響因素。圖 4、太陽系行星際磁場示意圖在太陽系行星系統中，許多行星的磁場都低於地球的磁場，但是太陽系中最大的行星木星的表面磁場卻約爲地球磁場的 10 倍。這是什麽原因？進一步深入研究認識到，木星主要是由氫構成的，木星表面爲氫氣，木星內部壓力增大，氫氣轉變爲液態氫，再深入木星內部，壓力更增大，
11、液態氫又轉變爲固態氫。更深入木星內部後固態氫密度更增大，又從絕緣狀態的氫轉變爲金屬狀態的氫。從物理學理論研究可知，金屬氫還可能在一定條件下轉變爲超導體。如果木星內部存在電阻爲零的超導氫，就會存在巨大的電流，並由此産生高的磁場。這樣就可以說明木星爲什麽有較高的磁場。物理學理論研究還指出，金屬氫還可能是一種高溫高能燃料。這樣就促進了關於金屬氫的探索性研究。目前雖然在地球上還未研究出金屬氫來，但是對木星磁場的測量和研究，以及由此引出的關於金屬氫的推測卻是引人注意的。脈衝星與超強磁場磁場既然是普遍存在的，那麽宇宙中存在著多高的強磁場和多弱的弱磁場？它們又存在於何處？通過大量的天文觀測和研究，現在認識到
12、的最強磁場存在於脈衝星中。脈衝星又稱中子星，是恒星演化到晚期的一類星體。根據天體演化過程，一般恒星演化到晚期時，由於原子核聚變産生高熱能所需的核聚變物質已經用盡，熱能劇減，恒星物質的引力便使星體收縮，體積變小，而恒星磁場便因恒星收縮和磁通密度變大而增強。這樣，演化到晚期的恒星磁場便急劇大增。例如，演化到晚期的白矮星的磁場劇增到約 103104 特斯拉(T)，而演化到晚期的脈衝星(中子星)的磁場更劇增到約 108109 特斯拉，分別比太陽磁場增加約千萬到億倍(10 7108 倍)和約萬億到10 萬億倍(10 121013 倍)。例如圖 5 便是在地球高空觀測到的武仙星座 X-1 脈衝星(中子星)
13、發射的 X 射線譜。進一步研究認識到這一發射的 X 射線譜是由於 X-1 脈衝星的電子流在磁場中的迴旋運動産生的，而譜線的吸收峰便是電子流在磁場中的迴旋共振峰。由迴旋共振的位置(X 射線的能量)便可計算出迴旋共振的磁場的強度約宇宙磁現象 Jacky_Su55108T。這樣強的磁場是目前科學技術在地球上遠遠達不到的，目前科學技術在地球上所能得到的磁場的強度僅約 102T，兩者相差約百萬倍 (106 倍)。圖 5、武仙星座 X-1 脈衝星發射的 X 射線譜(cm-釐米 S-秒鐘 KeV-千電子伏特)目前在宇宙中觀測到的最弱的磁場是多少？是在什麽地方觀測到的？根據目前對各處宇宙磁場的觀測，各種星體的
14、磁場都高於星體之間的星際空間的磁場。例如，在太陽系中各行星之間的行星際磁場約爲 110-9510-9 特斯拉(T)，即約爲地球磁場的十萬分之一(10 -5)。在各個恒星之間的恒星際空間的恒星際磁場，常簡稱星際磁場，比行星際磁場更低，大約爲 510-101010-10 特 斯拉 (T)，即約爲行星際磁場十分之一(10 -1)，也就是約爲地球磁場的百萬分之一(10 -6)。恒星際(空間) 磁場是如何知道的？目前主要是應用恒星光的偏振觀測和恒星射電(無線電波)的塞曼效應(即無線電波在磁場中分裂而改變頻率)觀測及維持銀河星系結構的穩定性理論計算等來測定或估算恒星際磁場。由現代多方面的天文觀測知道，由大
15、量的恒星形成星系，例如太陽便是銀河星系中的一個恒星，而銀河星系以外的宇宙空間中還有更多更多的星系。星系與星系之間的空間稱爲星系際空間，根據多方面的天文觀測的間接推算和理論估計，星系際空間的磁場約爲 10-1310-12 特 斯拉(T)，即約爲行星際磁場的萬分之一到千分之一(10 -310-2)。恒星際磁場大約相當於人的心(髒) 磁場(約百億分之一 T)，而星系際磁場大約相當於人的腦(部)磁場(約萬億分之一 T)，甚至低於腦(部)磁場。從上面宇宙磁現象的介紹可以看出，宇宙磁現象是宇宙空間到處都存在的，而且許多宇宙磁現象還同科學研究和我們生活有著密切的關係，還有著遠比我們在地球上接觸到的磁場更強和更弱的磁場。
