书城童书中小学生不可不知的宇宙奥妙
23936500000066

第66章 磁星的磁场

我们的地球有磁场,其他行星也有磁场,而离我们最近的恒星太阳也有强大的磁场,它们的磁场产生的原因略有差别,但是都是来自运动的带电粒子。对于其他类似太阳的恒星,我们完全可以认为它具有磁场,但是在发现白矮星和中子星之前,对它们是否具有磁场,科学家就无法作出准确的判断了。

对于人类来说,有时候大自然只能被认识,而无法被猜透,在中子星被发现以前,没有人会想到中子星具有磁场。1967年,中子星发射的射电信号被观测到了,中子星具有磁场已经是毋庸置疑的事实,而在此之前,白矮星也被探测到具有磁场。当一颗中子星具有超级强大的磁场时,你猜一猜它会叫什么?是的,它就叫磁星。磁星的磁场有多么强大呢?我们可以比较一下,地球也具有磁场,这样的磁场可以使指南针偏转,从而指引方向;一些工厂里有产生强磁场的设备,这些设备产生的磁场是地球磁场的1万倍,它可以把几吨重的钢铁轻松地吸起来;在实验室里,科学家们制造的磁场强度是地球磁场的10万倍,可以约束那些高速运动的带电粒子,使它们按照设想的路线行进;而在太空中,一颗磁星的磁场强度是地球磁场的1亿亿倍,它是目前我们发现的宇宙中最强大的磁场。如果把这样的磁星放在月亮和地球的中间,那我们的生活可就乱套了;所有的通信设备都会被磁星强大的磁场摧毁;信用卡等会因为磁场紊乱而不能使用;铁制的钢笔套将在磁星的吸引下飞离地球;甚至移动一根金属条都可以感觉到有电流产生。也许这样的事情对人类产生的影响仅次于地球失去重力的后果,不过幸运的是这样的事情在现实生活中不太可能发生。

磁星如此强大的磁场是怎么来的呢?现在科学家普遍认为,磁场只是带电粒子运动的时候产生的一种物理场,只要有变化的电场,就会在电场附近产生磁场,磁场的大小和电场强度和变化速度有关。在理论上解释这个问题是一件非常麻烦的事,不过在不引起误解的情况下,我们可以把磁星磁场的来源也看作是微观带电粒子规则地运动产生的。在磁星里万有引力产生的压力非常巨大,而抵抗这种压力的是大量剧烈运动的中子,这些中子比较规则地排列着,为一些带电粒子创造出特定的通道,这些带电粒子就在中子围成的管道里做高速超流运动,于是强大而规则的磁场就产生了。作为中子星的一种,磁星的质量非常大,而在它内部运动的带电粒子也极多,一些天文学家估计这些带电粒子总质量比地球还要大,如此多的带电粒子在狭小的磁星里有规则地运动,结果就创造出目前人类已知的最强大的磁场。

在无尽的宇宙中还存在许多磁星,它们的运动和磁场变化也是现代天文学家和物理学家感兴趣的研究对象,了解磁星磁场的来源可以帮助我们更好地认识这个宇宙,这也是科学家不懈追求的目标。

知识链接:地球的磁层

地球磁场,简言之是偶极型的,近似于把一个磁铁棒放到地球中心,使它的N极大体上对着南极而产生的磁场形状。当然,地球中心并没有磁铁棒,而是通过电流在导电液体核中流动的发电机效应产生磁场的。

地球磁场不是孤立的,它受到外界扰动的影响,宇宙飞船就已经探测到太阳风的存在。太阳风是从太阳日冕层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的粒子流,主要成分是电离氢和电离氦。

因为太阳风是一种等离子体,所以它也有磁场,太阳风磁场对地球磁场施加作用,好像要把地球磁场从地球上吹走似的。尽管这样,地球磁场仍有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下,太阳风绕过地球磁场,继续向前运动,于是形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域,这就是磁层。

地球磁层位于地面600~1000千米高处,磁层的外边界叫磁层顶,离地面5~7万千米。在太阳风的压缩下,地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远,形成一条长长的尾巴,称为磁尾。在磁赤道附近,有一个特殊的界面,在界面两边,磁力线突然改变方向,此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微,厚度大约有1000千米。中性片将磁尾部分成两部分:北面的磁力线向着地球,南面的磁力线离开地球。

1967年发现,在中性片两侧约10个地球半径的范围里,充满了密度较大的等离子体,这一区域称作等离子体片。当太阳活动剧烈时,等离子片中的高能粒子增多,并且快速地沿磁力线向地球极区沉降,于是便出现了千姿百态、绚丽多彩的极光。由于太阳风以高速接近地球磁场的边缘,便形成了一个无碰撞的地球弓形激波的波阵面。波阵面与磁层顶之间的过渡区叫做磁鞘,厚度为3~4个地球半径。

地球磁层是一个颇为复杂的问题,其中的物理机制有待于深入研究。磁层这一概念近来已从地球扩展到其他行星。甚至有人认为中子星和活动星系核也具有磁层特征。