Susan Clark正致力于揭示银河系磁场的神秘运作,这是银河系拼图中一个关键的缺失部分。

Susan Clark致力于揭示银河系磁场的神秘力量,推动星系与恒星演化研究。

在银河系的翻涌中,巨大的气体团聚成云,孕育着恒星。在这个过程中,有一只隐藏的手在起作用:磁场。

“有一句很棒的话:你可以通过一个人的磁场强度来衡量他的无知程度,”斯坦福大学的天体物理学家Susan Clark说道,“换句话说,当我们在天体物理学的历史上遇到一个难以理解的问题时,就把它归咎于磁场。我们只是挥挥手说,‘啊!是磁场的作用!’”

这种基本力量到底如何塑造我们的银河系,长期以来一直困扰着科学家,主要是因为测量银河磁场是一项巨大的挑战。无法直接检测到它,天文学家通过研究被磁场排列的尘埃和穿过这些尘埃的光线来寻找线索。

虽然仍有许多未知,但新的工具和方法正在使我们更接近理解磁场对恒星和星系演化的影响,而Clark是这一努力的先锋之一。作为斯坦福大学宇宙磁学与星际物理小组的负责人,她结合了新颖的观测技术、模拟和理论来解开银河磁场的谜团。今年,她因“在早期职业生涯中表现出色并有可能革新其研究领域”而获得了斯隆研究奖学金。

“我们试图不让它成为我们无知的标志,而是真正理解磁场如何影响事物的详细物理过程,”Clark说。

《量子》杂志最近在加利福尼亚州圣巴巴拉的一次会议上采访了Clark,了解她在探究银河系隐藏力量方面的进展。采访内容经过浓缩和编辑以确保清晰。

你们试图弄清银河系磁场的哪些问题?

我们有太多不了解的地方。我们真的想弄清楚磁场在形成星际物质(ISM)的不同物理过程中扮演了什么角色。我们知道磁场在气体演化形成非常密集、寒冷的物质团块,即分子云,这些是恒星诞生的地方,而且它还在这些分子云如何分裂和形成恒星的过程中起作用。但我们完全不了解其细节。然而在低密度的ISM区域中,你会看到这些长长的气体细丝与磁场非常对齐。我们想了解这对ISM中气体在不同阶段之间的过渡和湍流意味着什么。

星际物质中的气体会经历不同的阶段吗?

银河系中的气体涵盖了令人费解的各种物理状态。你有非常密集、寒冷的分子云。在另一极端,你有非常热的等离子体。还有中间的一系列状态,我们知道恒星形成和星系演化的故事涉及气体在这些不同物理状态之间流动。我们想了解整个生命周期是如何将气体转化为恒星并回到星际物质中,为未来几代恒星形成提供种子。

我们在最近几年发现的一个现象是,当你观察到更密集的星际物质结构时,细长的分子云实际上倾向于与局部磁场垂直对齐。这对磁场结构在雕刻这些最终分裂并形成恒星的长细丝状分子物质结上的重要性提出了诱人的想法。关于这一点有许多未解的问题,我们最终想做的是拼凑出气体和磁场如何相互作用以调节恒星形成过程的整个演化图景。

鉴于磁场本身是看不见的,你如何绘制其结构?

星际物质中有很多尘埃,微米大小或更小的物质颗粒,这些小尘埃颗粒有一些无定形的形状;它们不是完美的球体。它们与所处局部磁场有首选的对齐方向。一个结果是,如果你看背景恒星发出的光,光会穿过这些磁场排列的尘埃颗粒,它们吸收与其长轴平行的偏振光。因此你可以测量剩余恒星光的偏振,你看到的是在你的望远镜和恒星之间的尘埃中的磁场印记——这是不是很酷?

这些尘埃颗粒也会辐射光,这种辐射的偏振角由局部磁场的方向决定。所以这些就是我们使用的两种工具。

我们对银河系的磁场是如何产生的有什么了解?

这是另一个大问题。我们想了解宇宙中磁场的最终起源。但真正棘手的问题是:我们如何拥有这些大规模的、有组织的磁场?可能是在形成银河系的过程中,气体的运动能够放大和分配磁场,使其具有我们今天观察到的结构?试图回答这个问题,一个非常有帮助的方法是观察其他星系中的磁场结构。

你在不同类型的星系中看到不同的磁场结构吗?

是的,我们仍在试图理解这里的整体图景。我们最近发表的一项非常酷的观测是关于天线星系的远红外光偏振。这是一对正在合并的星系,我们观察到在它们之间的交互区域有一个非常一致的磁场结构,这从尘埃偏振中推断出来,这在很多方面都很有趣。我们真的在理解这些事情的开端。

研究银河磁场能告诉我们它的起源吗?

我们确实想知道是什么原因产生了在星系形成过程中被放大的“种子”磁场。这个场可能是原始的,意味着它起源于宇宙的诞生。但在我看来,我们对现代星系中磁场的测量本身并不能告诉我们最初的种子场来自哪里。它告诉你有一个弱的种子场,但仅此而已。
你为什么会对银河磁场感兴趣?这似乎是一个非常具体的问题。

我喜欢有大而激动人心的未解之谜的问题。我还喜欢我的领域的一点是,我们解决的问题不仅是我们不知道答案,有时我们甚至不知道提出问题的最佳方式。我们经常在问:我们如何接近这个问题?在这些天体物理迹象中哪条信息让我们能够提出我们想要问的问题?所以我们可以有点创造力。

你什么时候第一次对这个问题产生兴趣?

我不认为这是出于某种深层次的、终生的研究磁场的需要,但它在研究生阶段吸引了我,作为一个天体物理学中不太被理解且因其复杂性而被回避的领域。

至于天体物理学,大学四年级前的夏天,我在波多黎各的Arecibo做了国家科学基金会的本科生研究体验,那非常棒。这时我意识到我想研究星际物质,真正欣赏它是什么。这是我第一次全职研究的体验,而且是在这个令人难以置信的设施里——不仅因为望远镜令人难以置信,还因为你住在现场的小木屋里。电影《接触》里Jodie Foster住的那个小木屋,就是我住的地方。

有更早的时刻让你意识到你想成为科学家吗?

老实说,我并不总是想成为科学家。进入大学时,我想,也许我会双修生物学和英语。我特别喜欢生物学,而且我一直喜欢写作,所以我想也许我会成为一名作家。

我一直对一切都很感兴趣。天文学家常说,“哦,从我还是个小孩子起,我就非常喜欢太空,我知道这就是我长大后想做的事情。”我小时候确实喜欢太空,但我也喜欢岩石、恐龙和蜥蜴。特别是蝾螈。如果说有什么东西,它一切都始于在弗吉尼亚州后院和我的姐妹们一起在岩石下寻找蝾螈。是对自然的好奇心和对学习的热爱,这就是你作为科学家所做的。

本文译自 Quanta Magazine,由 BALI 编辑发布。

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