宇宙磁現象

宇宙磁現象是指地球以外的各種星體和星體之間的星際空間的磁現象。宇宙磁現象所涉及的空間範圍和時間尺度都遠超過地球。因此在這裡只能選取其中一部分大家可能更為關心和更感興趣的宇宙磁現象，如阿爾法(α)磁譜儀上天（空間）探測、“阿波羅”飛船登月測月磁、太陽磁活動與太空氣象學、脈衝星與超強磁場。

基本介紹

• 中文名：宇宙磁現象
• 類型：星體現象
• 來源：磁現象
• 代表例子：太陽黑子

太陽黑子

太陽黑子是在太陽表面出現的很小的較暗的區域。觀測表明黑子出現的數目、大小和位置都是隨時間變化的。進一步研究表明，太陽黑子是一種太陽磁場引起的局部區域溫度降低、發光減弱的現象。太陽黑子也是很早就有了觀察記載，但直到近代通過觀測和研究才認識到太陽黑子的出現和變化是同太陽的磁場活動密切相關的。太陽的黑子活動不但同太陽的結構和活動等密切相關，而且對於我們地球也有影響。所以太陽黑子的觀察研究受到重視。圖1是中國北京天文台建造的太陽磁場望遠鏡，其建造規模和觀測研究都居於世界前列。

可以從太陽光觀測出來的。光的傳播速度是遠高於高能帶電粒子的運動速度的，因此只要觀測到太陽黑子和太陽耀斑等劇烈活動的光信號，便可以預測和預報劇烈太陽風的時間。這樣就可以對行星際空間將要發生的劇烈太陽風進行預測和預報了。當然這就需要更多和更深入地研究各種太陽磁活動、特別是劇烈太陽磁活動的產生機制和各種影響因素。

空間時代

現代人類已進入空間時代，空間環境對人和生物等的影響已受到特別的關注，其中的空間氣候如太陽風等便同太陽磁場和太陽系磁場有關密切的關係。

太陽風

太陽風是由太陽上的能量高的帶電粒子如電子、質子等從太陽表面噴射到太陽外的太陽系空間甚至更遠的空間。由於太陽風中粒子帶有電荷，因此也將太陽磁場帶入太陽系空間甚至更遠的空間，形成太陽系行星空間的行星際磁場。圖4中便是太陽系行星際磁場的方向。因為太陽風含有高能量帶電粒子，這對於行星際中的空間飛行器，特別是對飛行器的人和生物等是有傷害的。因此對劇烈的太陽風的預報和預防是特別需要的。

預報

如何預報劇烈的太陽風，因為太陽風是從太陽發射出來的帶太陽磁場的高能量帶電粒子，是太陽的磁活動，如太陽黑子和太陽耀斑等產生的。這就需要預報太陽的劇烈磁活動。

磁場現象

地球磁場

在太陽系行星系統中，許多行星的磁場都低於地球的磁場，但是太陽系中最大的行星木星的表面磁場卻約為地球磁場的10倍。這是什麼原因？進一步深入研究認識到，木星主要是由氫構成的，木星表面為氫氣，木星內部壓力增大，氫氣轉變為液態氫，再深入木星內部，壓力更增大，液態氫又轉變為固態氫。更深入木星內部後固態氫密度更增大，又從絕緣狀態的氫轉變為金屬狀態的氫。從物理學理論研究可知，金屬氫還可能在一定條件下轉變為超導體。如果木星內部存在電阻為零的超導氫，就會存在巨大的電流，並由此產生高的磁場。這樣就可以說明木星為什麼有較高的磁場。物理學理論研究還指出，金屬氫還可能是一種高溫高能燃料。這樣就促進了關於金屬氫的探索性研究。

超強磁場

脈衝星與超強磁場

磁場既然是普遍存在的，那么宇宙中存在著多高的強磁場和多弱的弱磁場？它們又存在於何處？通過大量的天文觀測和研究，現在認識到的最強磁場存在於脈衝星中。脈衝星又稱中子星，是恆星演化到晚期的一類星體。根據天體演化過程，一般恆星演化到晚期時，由於原子核聚變產生高熱能所需的核聚變物質已經用盡，熱能劇減，恆星物質的引力便使星體收縮，體積變小，而恆星磁場便因恆星收縮和磁通密度變大而增強。這樣，演化到晚期的恆星磁場便急劇大增。例如，演化到晚期的白矮星的磁場劇增到約103~104特[斯拉](T），而演化到晚期的脈衝星(中子星）的磁場更劇增到約108~109特[斯拉]，分別比太陽磁場增加約千萬到億倍（107~108倍）和約萬億到10萬億倍（1012~1013倍）。例如圖5便是在地球高空觀測到的武仙星座X-1脈衝星（中子星）發射的X射線譜。進一步研究認識到這一發射的X射線譜是由於X-1脈衝星的電子流在磁場中的迴旋運動產生的，而譜線的吸收峰便是電子流在磁場中的迴旋共振峰。由迴旋共振的位置（X射線的能量）便可計算出迴旋共振的磁場的強度約5×108T。這樣強的磁場是當今科學技術在地球上遠遠達不到的，科學技術在地球上所能得到的磁場的強度僅約102T，兩者相差約百萬倍（106倍）。

根據對各處宇宙磁場的觀測，各種星體的磁場都高於星體之間的星際空間的磁場。例如，在太陽系中各行星之間的行星際磁場約為1×10-9~5×10-9特[斯拉](T），即約為地球磁場的十萬分之一（10-5）。在各個恆星之間的恆星際空間的恆星際磁場，常簡稱星際磁場，比行星際磁場更低，大約為5×10-10~10×10-10特[斯拉](T），即約為行星際磁場十分之一（10-1），也就是約為地球磁場的百萬分之一（10-6）。恆星際（空間）磁場是如何知道的，主要是套用恆星光的偏振觀測和恆星射電（無線電波）的塞曼效應（即無線電波在磁場中分裂而改變頻率）觀測及維持銀河星繫結構的穩定性理論計算等來測定或估算恆星際磁場。由現代多方面的天文觀測知道，由大量的恆星形成星系，例如太陽便是銀河星系中的一個恆星，而銀河星系以外的宇宙空間中還有更多更多的星系。星系與星系之間的空間稱為星系際空間，根據多方面的天文觀測的間接推算和理論估計，星系際空間的磁場約為10-13~10-12特[斯拉](T），即約為行星際磁場的萬分之一到千分之一（10-3~10-2）。恆星際磁場大約相當於人的心（髒）磁場（約百億分之一T），而星系際磁場大約相當於人的腦（部）磁場（約萬億分之一T），甚至低於腦（部）磁場。

從上面宇宙磁現象的介紹可以看出，宇宙磁現象是宇宙空間到處都存在的，而且許多宇宙磁現象還同科學研究和我們生活有著密切的關係，還有著遠比我們在地球上接觸到的磁場更強和更弱的磁場。

研究工具

阿爾法(α)磁譜儀是1998年人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀。它利用強磁場和精密探測器來探測宇宙空間的反物質和暗物質，探索和研究宇宙物理學、基本粒子物理學和宇宙演化學的一些重大和疑難問題，例如尋找磁單極子等。最早的阿爾發磁譜儀是1998年由“發現號”太空梭載入太空，進行了約10天的試驗性探測。圖2是這次所用的阿爾法磁譜儀中由中國科學家設計製造的關鍵部件永磁體系統，左下圖是在“和平號”空間站上拍攝的在“發現號”太空梭上的阿爾法磁譜儀。計畫在2003年將阿爾法磁譜儀送到國際空間站工作3~5年，進行較長時期對空間反物質和暗物質等的探測。阿爾法磁譜儀(英文縮寫為AMS)的研製工作是由美籍華裔物理學家、1976年度諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中教授提出並領導的一個大型的國際合作科學研究項目，由美國和中國等10多個國家和地區的37個科研機構參加科研工作。其主要目的是尋找太空中的反物質和暗物質，以及解決其他一些重大科學問題。反物質是指由質量相同但電荷符號相反的反電子(即正電子)、反質子和反中子組成的反原子構成的物質，如反氦和反碳等。暗物質是指不能用光學方法探測到的物質。根據現代科學研究中的一些學說，宇宙中除一般見到的物質(即正物質)以外，應還存在反物質；除用光學方法探測到的一般物質以外，應還存在用光學方法探測不到的暗物質。這些物質在磁場中運動時會表現出不同的特點，因而可以用探測器探測出來。阿爾法磁譜儀主要由磁系統和靈敏探測器等構成。