宇宙中磁场的未解之谜！蟹状星云的神秘蓝光也是磁场带来的？

　　宇宙中到处都有磁场！磁场是自然界最基本的性质之一，它如何影响天体、宇宙的演化则还是未解之谜。由对光谱以及光的偏振有更好的测量，现在的天文学家得以一步步揭开宇宙中磁场的分布。今天将介绍观测宇宙中磁场的方法，以及关于太阳黑子、黑洞、一些磁场的观测结果。 宇宙中也有磁场
　　地球的内部就像个大磁铁一样，产生了将整个地球包覆起来的磁场。磁性是自然界最基本的性质之一，宇宙中的其他地方也有磁场。观测外天体的磁场对于我们深入了解它们的形成、演化都非常重要。
　　我们之所以能知道地磁的存在是因为＂磁铁＂，磁场本身并没有办法直接＂看＂到。宇宙中的磁场当然也是看不到的，我们只能借助其他的媒介来回推它的存在，这个媒介当然就是＂电磁波＂，也就是＂光＂。接下来就介绍几种让人们能从宇宙中观测出磁场的机制吧！ 塞曼效应（ZeemanEffect）：测量太阳黑子
　　每种原子有着自己的能量稳定态，当它从高能量态变成低能量态时，就会放射出光。放射出来的光所具有的能量就等于高低两种状态之间的能量差。反过来，原子吸收了特定能量的光以后，也能从低质量态跳到高能量态。每种原子有着属于它自己的光谱谱线组合，称为原子光谱。
　　在磁场的影响下，原子的能量会产生微小的变化，让这些谱线会＂分裂＂成好几条（如图1），这个现象叫做＂塞曼效应（Zeemaneffect）＂。物质所在的环境磁场愈强，谱线就分得愈开。由测量谱线分裂的程度，我们就可以知道磁场有多强。
　　图1：赛曼效应示意图，从（左）没有磁场、（中）弱磁场、到（右）强磁场。实际上赛曼效应很弱，波长不明显
　　天文研究上利用塞曼效应最著名的成果，就是测量太阳黑子的磁场。太阳黑子是太阳表面的黑斑，是太阳表面比较低温的区域（约3000至4000K）。由赛曼效应，我们发现太阳黑子的区域具有强烈的磁场，大约是地磁的一万倍！即便有这么强的磁场，这个波长分裂也不过就是原来波长的万分之一左右而已，不使用精密测量的仪器是绝对看不出来的（图2）。
　　图2：（左）太阳黑子，及沿着黑子所测量到的（右）光谱。可以看到右图中的线分开来的，证明太阳黑子有磁场
　　众所皆知，地球也是有磁场的。地球的磁场从南极出发绕过半个地球至北极没入。地球、太阳等这些天体中的磁场产生原因有个＂发电机理论（Dynamotheory）＂，认为天体内部的导电流体是磁场的来源。地球内部的地核成分就被认为是可以导电的铁合金，在高温下流动的铁合金产生了一圈圈的磁场。 偏振光与同步辐射
　　另一个观察宇宙中磁场的方法就是光的＂偏振（polarization）＂。光是经由电场、磁场相互震荡所传递的。当一束光的电场全部都固定在同一个方向上震荡，这束光就是线偏振（Linearpolarization）。如果一束光的电场震荡方向像时钟的指针一样会渐渐旋转，则称为圆偏振（Circularpolarization）。一般常见的自然界光源光并没有特定的电场震荡方向，也就是电场沿着各种方向震荡的都有，这样的光则称为＂非偏振光（Unpolarizedlight）＂。
　　非偏振光经过特殊的环境后，可能会变成偏振光。最简单的方法就是加入＂偏振片＂。偏振片能把特定偏振方向的光过滤掉、只让另一个偏振方向的光通过，有点类似白光通过红色的玻璃纸就会只剩下红光一样。
　　除此之外，一束光打到界面的时候，与界面平行偏振的光会比较容易反射。读者们如果在白天去到海边的话，因为海面反射太阳光的缘故，有时候应该会感觉到海面特别刺眼。这些刺眼的反射光当中，平行海面偏振的光就会比其他方向来的多。这个时候＂偏光眼镜＂就特别好用。所谓的＂偏光＂太阳眼镜就是加入了偏振片，一般来说是把水平的光过滤掉。就算镜片是透明的，也能把海面反射的光过滤掉很大一部分。
　　带电粒子在磁场中会螺旋绕转，并且放出电磁波。高速行进中的带电粒子在磁场中绕转所放出来的电磁波称为＂同步辐射（Synchrotronradiation）＂。同步辐射机制下所放出来的光具有两个特性：特殊的光谱、以及偏振性。
　　不是所有天体都能够发射同步物辐射的，得将带电粒子加速得够快、还要有强烈的磁场。其中一种天体称为＂脉冲星风云（pulsarwindnebula）＂。蟹状星云（Crabnebula）就是一个好的例子（图3）。蟹状星云是1054年一颗超新星SN1054爆炸后的遗骸。爆炸后在中央留有一颗中子星，周围则被云气环绕。在可见光波段下五彩缤纷、非常漂亮。仔细看的话可以看到一片迷蒙的蓝色光芒，就被认为是中央那颗中子星的磁场带来的影响。
　　图3：蟹状星云
　　黑洞附近也被认为是会产生同步辐射的地方，在2019年发表了人类史上第一张黑洞相片以后，今年有团队则更进一步发表了黑洞周遭的光偏振（图4）。从偏振的图象当中，科学家能回推磁场的分布，让我们对黑洞更加理解。
　　图4：黑洞的偏振方向图法拉第旋转：测量星际介质
　　当偏振光经过带有介质的磁场时，偏振方向会旋转，这个现象称为＂法拉第旋转（Faradayrotation）＂。磁场愈强，偏振方向改变愈多。法拉第旋转是天文学测量磁场非常重要的工具，由量测光偏振方向改变了多少，就能推知光源到我们之间的介质具有多强的磁场。这个方法主要被用在观测分布在宇宙各处的星际介质（图5）。
　　除了本文所介绍的以外，宇宙中还有很多关于磁场的观测，也还有许多的谜团没有解开。这些磁场如何出现？这些磁场如何影响天体？磁场如何影响整个宇宙的演化？这些研究都还是现在进行式，期待未来的研究能带给我们答案。
　　图5：全天的微波背景辐射强度及磁场分布图。颜色从蓝色到红色代表背景辐射的强度，线条则代表磁场方向