首次精确探测星云弱磁场
晓查 发自 凹非寺
非常AI 报道 | 公众号 QbitAI
好消息！
“中国天眼”FAST又有新的重大发现，而且还登上了最新一期的Nature封面。
这一次，由国家天文台庆道冲、李菂领导的国际合作团队，利用FAST测量了450光年外星云内部的磁场。
他们的观测结果或将颠覆科学家恒星形成理论，也许恒星形成速度比我们想象的快10倍。
△ FAST探测分子云磁场，图片来自国家天文台
中科院国家天文台在新闻发布会上表示，这是利用原子辐射手段探测分子云磁场的从0到1的突破。
马克斯·普朗克天体物理研究所的Paola Caselli教授说：“如果其他气体云中的情况也证明如此，那么对恒星形成研究领域来说，（这一发现）将是革命性的。”
△ FAST（500米口径球面射电望远镜），图片来自新华社
FAST发现了什么
长期以来一直认为，天文学家一直认为恒星的形成需要数百万年。而在星云坍缩成恒星的过程中，磁场起到关键作用。
法拉第用自制线圈测量磁场，但我们显然不可能把天线伸到外太空。好在有塞曼效应可以让我们间接测量磁场。
所谓“塞曼效应”，是指光谱的一条线在磁场作用下分裂成多条线的现象，通过测量多条线之间的频率差，就可以算出磁场的强度。
△ 塞曼效应示例：A为无磁场时的光谱，B和C为有磁场时的光谱
对于星云来说，塞曼效应主要发生在无线电波频段，而FAST正是全球最灵敏的射电望远镜。
但是星云中的塞曼效应实在太弱了。
2003年，李菂和Paul Goldsmith提出了一种HI窄自吸收 (HINSA) 技术，解决了这一问题。
HINSA是由氢原子与氢分子碰撞冷却而产生的无线电信号。HINSA对磁场的反应也相对较强，比一般的分子信号强5~10倍。
因此HINSA的塞曼效应被认为是研究星云中磁场的有力工具。
此前，科学家们用其他射电望远镜研究了450光年外L1544分子云，分别测量了它外层和内核的磁场强度。
△ L1544分子云，图片来自ESA
它们发现，在外层，磁力占据着主导作用，而内核虽然磁力更强，但分子密度也更大，因此万有引力占主导作用。
还缺少的就是介于外层和内核之间中间层的数据，FAST承担了测量这一区域磁场的任务，首次实现了HINSA塞曼效应的探测。
结果国家天文台团队发现，中间层的磁场强度为4微高斯，只有地球磁场的600万分之一，而且并不比分子云外层强。
“如果要抵御密度增加100倍带来的引力，磁场需要更强，但这并没有发生”，李菂说。
也就是说，星云中的磁力可以抵御引力的地方应该更靠近外层而不是核心，星云坍缩成恒星所需的时间也比之前预测得要少得多。
论文第一作者庆道冲表示，这一发现意味着，气体云的进化成恒星胚胎的速度比之前想象的要快10倍。
星际磁场如何消散导致星云坍塌，目前仍然是恒星形成中的未解之谜。
长期以来，天文学家都认为主要是双极性扩散将中性粒子从等离子体中分离出来，导致的引力坍缩发生。
而最新发现指出磁场消散发生在分子云包层的形成过程中，其中可能存在与双极性扩散不同的机制。
FAST再立新功
就在FAST新发现登上Nature封面的前一天，中国科学院国家天文台举行新闻发布会，介绍了FAST去年在国际天文前沿领域取得的重要科学成果。
△ 国家天文台新闻发布会现场，图片来自新华社
除了中性氢谱线测量星际磁场外，FAST还有以下重大发现：
1、在约50天内探测到1652次爆发事件，获得迄今最大的快速射电暴爆发（FRB）事件样本，超过此前本领域所有文章发表的爆发事件总量，研究论文于去年10月14日发表在Nature上。
2、截至目前，FAST共发现约500颗脉冲星，成为世界上发现脉冲星效率最高的设备。
国家天文台表示，2021年，基于超高灵敏度的明显优势，FAST已成为中低频射电天文领域的观天利器。
FAST过去一直是寻找脉冲星的主要力量。这次新的研究结果表明，FAST也能参与包括恒星形成等天文学问题。
中国科学院院士、国家天文台台长常进表示，未来FAST将致力于寻找小于1毫秒的亚毫秒脉冲星，这也是全世界都在找的一种系统。
另外，FAST还计划在2022年给全国中小学生开放1%的观测时间，由中小学生提出科学想法，由天文学家帮助他们来实现。
团队简介
本文第一作者是来自中国台湾清华大学的庆道冲，2017年应征来国家天文台工作。
△ 庆道冲，图片来自ETtoday网站
毕业时，他在台湾和大陆都有投简历，但最后只收到国家天文台的回复，
对于能到天眼工作，庆道冲感到非常兴奋，因为这对他来说是一份“梦幻工作”。
本文通讯作者是国家天文台FAST首席科学家李菂。他本科就读于北京大学，后来赴美国康奈尔大学攻读博士学位。毕业后在美国史密松天体物理中心、NASA喷气推进实验室工作。
△ 李菂在《开讲啦》演讲，图片来自央视
2012年，李菂回到国内，进入中科院国家天文台，2015年任FAST工程副总工程师，2018年成为FAST首席科学家。
参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04159-x
[2]https://www.science.org/content/article/stars-may-form-10-times-faster-thought
[3]https://phys.org/news/2022-01-coherent-interstellar-magnetic-field.html
[4]http://www.news.cn/politics/2022-01/06/c_1211519084.htm
[5]http://www.news.cn/tech/2022-01/06/c_1128236091.htm
