宇宙超级气泡的磁场首次以3D形式绘制

Harvard & Smithsonian (CfA) 公布了首张同类地图，可以帮助回答几十年来关于恒星起源和宇宙磁场影响的问题。

该地图揭示了局部气泡的可能磁场结构——一个巨大的、1000 光年宽的空洞，位于我们太阳周围的空间中。就像一大块瑞士奶酪，我们的银河系充满了这些所谓的超级气泡。大质量恒星爆炸性的超新星死亡炸毁了这些气泡，并在此过程中将气体和尘埃——制造新恒星的燃料——集中在气泡的外表面。这些厚表面因此成为随后恒星和行星形成的丰富场所。

然而，科学家对超级气泡的整体理解仍然不完整。有了新的 3D 磁场图，研究人员现在有了新的信息，可以更好地解释超级气泡的演化，以及它们对恒星形成和星系的影响。

“将局部气泡的 3D 地图放在一起将帮助我们以新的方式检查超级气泡，” 西奥奥尼尔说，他在国家科学基金会资助的 CfA为期 10 周的暑期研究期间领导了制图工作，当时他 还是一名本科生在弗吉尼亚大学 (UVA)。

“太空中充满了这些引发新恒星和行星形成并影响星系整体形状的超级气泡，”奥尼尔继续说道，他于 2022 年 12 月从 UVA 毕业，获得天文学物理学和统计学学位。“通过更多地了解驱动今天太阳所在的局部气泡的确切机制，我们可以更多地了解一般超级气泡的演化和动力学。”

1 月 11 日，星期三，在华盛顿西雅图举行的天文学会第 241 届年会上，奥尼尔与同事们一起介绍了这些发现。目前可在 Authorea 上获得 3D 交互式图形和研究的预印本。这项研究是在哈佛大学教授和 CfA 天文学家 Alyssa Goodman的指导下在 CfA 进行的，与哈佛博士天文学校友 Catherine Zucker、哈佛博士生 Jesse Han 和罗马的磁场专家 Juan Soler 合作。

“从基本物理学的角度来看，我们早就知道磁场必须在许多天体物理现象中发挥重要作用，”古德曼说，她在三十年前撰写了关于宇宙磁场重要性的博士论文。“但是研究这些磁场是出了名的困难。这种困难总是让我远离磁场工作，但后来新的观测工具、计算方法和热情的同事又引诱我回去。今天的计算机模拟和全天空调查可能最终会成为足以开始真正将磁场纳入我们对宇宙如何运作的更广泛的了解，从微小尘埃颗粒的运动到星系团的动力学。”

局部气泡已经成为天体物理学的热门话题，因为它是太阳和我们的太阳系现在所在的超级气泡。2020 年，希腊和法国的研究人员初步计算出局部气泡的 3D 几何形状。然后在 2021 年，现任职于太空望远镜科学研究所的 Zucker、维也纳大学的 Goodman、João Alves 和他们的团队表明， 本地气泡的表面是附近所有年轻恒星的来源。

这些研究以及新的 3D 磁场图部分依赖于 欧洲航天局 (ESA) 发射的天基天文台Gaia的数据。在测量恒星的位置和运动时，盖亚也被用来推断宇宙尘埃的位置，绘制其局部浓度图并显示局部气泡的大致边界。

O'Neill 及其同事将这些数据与 另一台欧空局领导的太空望远镜普朗克的数据相结合。普朗克在 2009 年至 2013 年进行了一次全天巡天，主要是为了观察大爆炸的遗迹光。在此过程中，航天器收集了来自整个天空的微波波长光的测量结果。研究人员使用了普朗克观测的一部分，这些观测追踪了银河系内与帮助绘制局部气泡磁场相关的尘埃辐射。

具体来说，感兴趣的观察包括偏振光，即在首选方向上振动的光。这种极化是由空间中磁性对齐的尘埃粒子产生的。灰尘的排列反过来说明了作用在灰尘颗粒上的磁场的方向。

以这种方式绘制磁场线使研究普朗克数据的研究人员能够编制从地球上看到的投射到天空的磁场的二维地图。为了将这张地图变形或“反投影”到三个空间维度，研究人员做出了两个关键假设：首先，大部分产生观测到的偏振的星际尘埃位于局部气泡的表面。其次，预测磁场在气泡膨胀时会被“扫过”到气泡表面的理论是正确的。

奥尼尔随后在夏季 CfA 实习期间进行了创建 3D 磁场图所需的复杂几何分析。

古德曼将研究团队比作开创性的制图师，他们绘制了第一批地球地图。

“我们做出了一些重大假设来创建第一张磁场 3D 地图;这绝不是一张完美的照片，”她说。“随着技术和我们对物理认识的提高，我们将能够提高地图的准确性，并有望确认我们所看到的。”

出现的磁涡的 3D 视图代表了我们附近超级气泡的磁场结构，如果磁场确实被扫到气泡的表面，并且如果大部分极化是在那里产生的。

研究小组进一步将生成的地图与局部气泡表面的特征进行了比较。例子包括 Per-Tau 壳，一个巨大的球形恒星形成区域，以及 猎户座 分子云复合体，另一个著名的恒星托儿所。未来的研究将检查磁场与这些和其他表面特征之间的关联。

“有了这张地图，我们就可以真正开始探索磁场对超级气泡中恒星形成的影响，”古德曼说。“就此而言，更好地了解这些场如何影响许多其他宇宙现象。”

由于磁场只影响天体物理环境中带电粒子的运动和方向，古德曼说，在建立模拟和理论时，人们倾向于忽略磁场的影响，其中作用于所有物质的引力是主要作用力. 更令人沮丧的是，磁性可能是一种极其复杂的建模力。

忽略磁场的影响虽然可以理解，但往往遗漏了控制宇宙中气体运动的关键因素。这些运动包括气体在恒星形成时流到恒星上，以及在恒星将物质聚集到行星形成盘中时从恒星发出的强大喷流中流走。即使在恒星形成的低密度环境中磁场的影响每时每刻都微乎其微，考虑到收集气体并将其变成恒星所需的数百万年时间尺度，磁效应可能会合计起来随着时间的推移，变成实质性的东西。

Goodman、O'Neill 和他们的同事期待找到答案。

“我在 CfA 进行这项研究并使用这张 3D 磁图组装一些新的和令人兴奋的东西时获得了很好的经验，”奥尼尔说。“我希望这张地图是扩大我们对整个银河系超级气泡的理解的起点。”