天文学家揭开"磁星"之谜 星云残留决定恒星磁场

http://tech.tom.com　 2004年11月07日 09:11

                               
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图一：宇宙中“磁星”磁场的形成模型。由于约束性磁力线(蓝色)螺旋缠绕形成磁力环，在恒星的发展演变过程里，将逐步把从恒星中溢出的磁场(红色)约束住，并最终形成磁极稳定不变的“磁星”磁场。


　　TOM科技讯 也许你从未考虑过一根普通的条形磁体和一颗恒星之间会有什么联系，但是天文研究人员却早已发现了这其中的相似之处。因为在宇宙中有些恒星的磁场是恒定不变，与磁铁的磁场相似；而另一些恒星磁场却随时都在改变。这究竟是什么原因造成的呢？近日天文学家表示，这个困惑人们长达半个世纪的宇宙中“磁星”磁场恒定之谜的终于被揭开，恒星形成时的星云残留才是决定磁场变化特性的内因。


　　我们知道，在宇宙中有一类数量众多的恒星天体，其外围的磁场活动每隔数年、数星期甚至数天，就会有明显的改变，太阳就是这样的恒星。这些恒星磁场随着时间的推移时刻都在发生着剧烈变化，在这些天体不同地区的磁场和磁极有时会突然出现有时也会突然消失。但同时另一些恒星却有着强劲和稳定的磁场，其特征与条形磁铁平滑和恒定的磁场非常相似。这种有稳定磁场的恒星在天文学上被称为“磁星”。


　　在这些“磁星”中，其磁场线就好似一条条完整的南瓜骨骼棱线，从南北两极的一点出发，向外成环，并最后终结在另一个极点。这就像普通条形磁铁磁场一样。在宇宙中共存在三种类型“磁星”：第一种为“A类磁星”，一般情况下是有10倍太阳质量大小的普通恒星，比如在北斗七星柄上的第三颗星“北斗五[大熊座ε]”就是这种磁星；第二种是一些燃烧殆尽的恒星——白矮星，其外层有比湫偷摹癆类磁星”要强10万倍的磁场存在；最后一类磁星就是一些超密集中子星，它们拥有比普通条形磁铁强大一千亿倍以上的恒星磁场存在。


　　在过去半个世纪的时间里，对于为什么会在恒星外层包裹如此强的稳定磁场，一直以来存在着两种不同的解释。一种说法认为，磁场是由“磁星”内部深层运动产生的，这与地球外围稳定磁场产生原因类似；另一种观点则主张认为，在星云坍缩形成恒星时剩下大量带有磁性的气体云层，这些云层包围着恒星并形成较为强大的外层磁场。这种理论似乎就能解释为何“磁星”的强磁场不会随时发生改变。但是，这种理论也有缺陷。因为倘若果真如此，那么“磁星”的外层磁场必将会在数年后逐渐削弱、并最终消失殆尽。


　　来自马克思普朗克天体物理学会的研究人员对这一现象进行了研究，他们利用数值仿真技术，对两种不同理论所假设的“磁星”磁场形成过程进行了模拟。研究人员发现，随着恒星的形成和演进，如果要能最终形成稳定的磁场，后一种“星云残留”理论得到了试验结果的支持。


　　马克思普朗克天体物理学会的研究人员亨德里克－斯普瑞特解释说：“通过试验可以看到，由形成恒星而残留下来的星云物质中拥有非常强大的磁场，这比以往所观测到的‘磁星’所拥有的磁场更强。尽管随着各种情况的发生，这其中大部分的磁通量都逐渐衰退了，但是总会有一部分(甚至是很大一部分)会保留下来。而且，更为重要的是这些磁场中的磁力线特征一致，会互相扭曲缠绕成螺旋型，并最终成环并汇集到一起。”其磁场情况虽然比“磁星”的表现更为复杂，但大致趋势还是非常一致的。


　　亨德里克－斯普瑞特在向媒体解释时表示：“‘磁星’的磁场变化最终将归结于物质的变化上。在星云演变成恒星的初期，许多初始条件对磁场的形成和保持非常有利。在这种情况下，初期的磁力线便会被汇集到发展的恒星的内核中心区域，最终形成‘磁星’所特有的磁场特征。”


　　对于为什么某些“磁星”会拥有强大得难以致信的磁场，亨德里克－斯普瑞特的解释是：“随着恒星的发展演变，整个恒星星体会收缩得越来越小，同时由于其仍然保留着绝大部分的物质，其外层磁场势必会变得越来越强。如果我们将一个普通的条形磁体挤压成只有其线形尺寸的一半，此时磁体周围的磁场强度就会增强四分之一。如果是白矮星，其体积就比最普通的太阳要小100多倍；而衰老得更厉害的中子星，如果它含有类似太阳那么多的物质，其体积则已经坍缩到只有一个城市般大小。此时，这些恒星外围的磁场强度就可想而知了。”


　　对于宇宙中“磁星”磁场恒定的研究成果，亨德里克－斯普瑞特和其同事共同撰写了研究报告并刊登在了近期出版的《自然》期刊上。