1、探討天體磁場內容提要本文回顧了天體磁場理論的歷史和現狀。根據電磁現象的本質提出天體磁場成因理論。探討了太陽磁場、行星磁場、恒星磁場、銀河系磁場。根據天體磁場成因理論對天體磁場進行粗略計算，將計算結果與觀測結果進行對比。最后指出天體成因理論存在的問題。 李鑫 2012年2月7日目錄1 天體磁場理論的歷史和現狀1.1轉子學說1.2.電池學說1.3化石學說1.4.發電機學說2 天體偶極磁場2.1 天體偶極磁場簡介2.2天體偶極磁場成因的理論3 太陽磁場4 行星磁場5 恒星磁場6 銀河系磁場7 天體磁場成因理論對天體磁場計算結果8 天體磁場成因理論存在的問題1天體磁場理論歷史和現狀星系、恒星、行星、衛

2、星，以及星際空間和星系際空間，都存在著磁場。天體的磁場是怎樣產生的？這是天體磁場研究的一個帶根本性的重大問題。從十九世紀末期以來,曾有許多天文工作者探討這方面的問題，先后提出過好幾種不同的學說，這些學說中,有的(如下述第一種)早已被否定，有的(如第二種)基本上已成為歷史的陳跡，那些有一定優點和價值的學說,因為存在不少缺陷，也面臨著困難。可以肯定地說，天體磁場的起源問題還遠未能獲得圓滿解決。下面對已有的幾種學說作了一個簡要介紹。1.1轉子學說大家知道，日月星辰以及地球等一切天體都是不停地在旋轉著，同時，許多天體又都具有磁場，因此，早在十九世紀末期就有人主張，天體的磁場和自轉之間有著某種物理聯系。

3、H.W.Babcock （巴布科克）曾把太陽與早型星作過對比。因為太陽赤道上的自轉速度為2公里/秒，而普遍磁場的強度為50高斯；那么，如果磁場強度與自轉速度成正比，并取B，A，F型星的平均赤道轉速為60公里/秒，它們的磁場強度就應該是1500高斯。說來真是湊巧，巴布科克所觀測第一顆恒星室女座78星磁場強度正好是這樣大。于是，人們就一度認為，天體的磁場強度真是與自轉速度成正比，而且還有人認為這是自然界基本規律之一，也是電磁場與重力場之間聯系的具體表現之一。這方面的代表人物是英國物理學家P. M. S. Blackett （布萊克特）1947年提出巨大物體偶極磁矩與其角動量成比例，他把地球，太陽和

4、室女座78星（這是當時已測出磁場強度的唯一恒星）三個天體的自轉和磁場作了一番比較，結果列于表1 。有趣的是，盡管這三個天體的質量，體積和磁場都相差懸殊，可是它們的磁矩（P）和角動量（U）的比值（P/U）卻幾乎一樣。P. M. S. Blackett進一步指出，P和U這兩個物理量之間存在下列關系： 上式中為引力常數，為光速，是一個近似等于1的常數。他認為，上述關系式中代表了自轉和磁場的內在聯系，并企圖為這個概念找到理論詮釋和實驗證據。表1 地球、太陽和室女座78星的自轉和磁場地 球太 陽室女座78質量（g）半徑（cm）角速度（）角動量（U）極區磁場強度（Gauss）0.61531500磁矩 （P

5、）（注：表中P. M. S. Blackett當時采用一些數值現在已嫌陳舊。）但是，人們認識的發展往往是曲折的，近年來，有大量的觀測資料表明，磁場最強的星不一定自轉得快，具體來說，對于一般的早型星，赤道轉動在視線方向的投影（）的平均值是177公里/秒，而星僅為52公里/秒。這樣看來，天體的磁場與自轉之間很可能沒有實質上的聯系。大量的恒星磁場測量結果都與轉子學說不相符合，而且更重要的是，直接的物理實驗也表明，快速旋轉的物體并不顯示出磁效應來。P. M. S. Blackett于1952年在一篇長而詳細的文章中描述了“否定實驗”的結果，用一個高靈敏的無定向的磁強計未能探測到在實驗室中靜止的大密度物

6、體附近有預期量級的磁場。任何轉動理論只能解釋磁矩沿轉動軸方向分量，尚需找理由來解釋橫向分量，目前橫向分量約為軸向分的五分之一，地磁場反轉現象也是各種旋轉理論的難題。目前，學術界對天體磁場的轉子學說基本持否定意見。1.2.電池學說1950年L.Biermann 曾提出，在不斷自轉的恒星上，電子會因受到壓力而形成電流，并由此而產生圍繞自轉軸的環形磁場來。這樣的磁場是由電子的熱運動產生的，熱能轉化為磁能，這與電池的作用相似，因此被稱為電池學說。按照這種說法，即使像太陽這產自轉較慢的恒星，也可以由此而得到強達500高斯的磁場。對于快速自轉的早型星，以這種方式產生的磁場就會更強。電池學說不久也遇到了困難

7、。到1962年，有人指出，如果恒星原來有一個偶極磁場，那么，電池效應就很難奏效。例如，一個強度僅為高斯的偶極磁場就足以抑制上述效應產生磁場，使之只能達到微不足道的程度。1.3化石學說 這種假說認為，天體本來就有微弱的磁場，在凝縮時磁性得到加強。化石學說的基本觀念是容易被人們接受的，但是，它在一些具體問題上卻遇到了不少困難。對化石學說的非難主要有兩個。第一，對流運動可以使磁場大幅度減弱，甚至消失。第二，更為嚴重的是，化石學說給出的磁場應當是基本穩定的，可是，磁星的磁場卻往往有大幅度的變化。甚至普遍磁場非常微弱的太陽，它的磁場強度的變化雖然不大，可是極性有時會發生反轉。這些都是化石學說很難說明的現

8、象。1.4.發電機學說 按照安培定律,電流可以產生磁場，既然宇宙空間的物質大部分都處于電離狀態，那么，它們的運動相當于電流，也應當產生磁場。凡是按照這種方式，認為由帶電物質的運動而產生的磁場的各種假說，都屬于發電機學說。最早在1919年，拉莫爾曾提出，是太陽黑子周圍的旋渦運動形成了黑子磁場，這個理論早已被拋棄，但是它卻引出了許多種別的發電機學說。在過去，人們曾認為不規則的、紊亂的湍流可以產生磁場，這個觀點當然不能令人信服，現在一般認為，只有帶電物質的有規則運動才能產生磁場，而且并不是一切有規則的運動都如此，例如，具有軸對稱的帶電物質運動就不能維持一穩定的磁場。發電機學說要處理一個重要問題,就是

9、具有偶極磁場()的天體怎樣能產生環形磁場（）。在這方面已經提出來一些設想。地球內部有一個導電率很高的液體核心，它的不均勻旋轉就可以由偶極磁場產生出環形磁場來。在目前，發電機學說在天體磁場起源的研究中占據了主要地位，它能解釋的現象比較多，但是在理論上卻不夠完整。”2 天體偶級磁場2.1 天體偶極磁場簡介天體的偶極磁場與一個均勻磁化圓球磁場相似（如圖所示）。把它的磁軸取北-南方向，P是球外一點，與球心的距離是，是NOP角，即磁余緯。如偶極子的磁矩是，則P點的磁位是 (1)磁場強度指向內徑方向分量相當于， (2) 磁場強度沿增加的水平方向分量， (3)磁傾角I等于 (4)2.2 天體偶極磁場成因的理

10、論根據電磁現象本質基本假設，如果旋轉天體可以看成是質量均勻的剛體，天體的自轉的偶極磁矩為 (5)上式中為精細結構常數，G為萬有引力常數，c為光速，為天體旋轉角動量。極區磁場強度與天體磁矩關系是 (6)或 (7）3 太陽磁場太陽和地球相似，也有一個普遍磁場。不過由于局部活動區磁場的干擾，太陽普遍磁場只是在兩極區域比較顯著，而不像地球磁場那樣完整。太陽極區的磁場強度只有高斯。太陽普遍磁場來源于太陽自轉，近似偶極磁場，3 行星磁場 根據有關資料介紹，太陽系行星磁場如下： 1 水星：“水手”10號發現水星磁矩為電磁單位，水星的極性與地球相同，赤道表面場強為高斯。2 金星：存在磁場重聯現象，金星磁層就像

11、是一個縮小的規模的地球磁場。金星表面上的磁場比地磁場小很多，相當于月球的磁場。特別值得一提的是，由于它的自轉方向與地球的相反，那么由于自轉引起的磁場應該與地球的磁場方向相反。3 火星：行星際探測器“火星”2號、3號和5號對火星探測，火星磁矩為電磁單位。4 木星：磁矩是地球的18,000倍 ，木星的磁場是地球的50-100倍；5 土星：有一個簡單的具有對稱形狀的內在磁場一個磁偶極子，比地球的磁場微弱一點 ，土星的磁場是地球的17-34倍；6天王星：天王星的磁場是地球的3-6倍；7海王星：海王星的磁場是地球的4-8倍；8冥王星(矮行星)的磁場與月球相似。4 恒星磁場觀測資料表明，恒星的磁場都是與自

12、轉方向保持一致。白矮星的密度很大（）它的表面磁場高達高斯，中子星的密度比白矮星高得多，因此磁場約達高斯。6 銀河系磁場 根據中國大百科全書天文學卷介紹，銀河系磁場觀測結果為：7 天體磁場成因理論對天體磁場計算結果根據天文觀測資料，按照(5)式和(7)式可以計算出天體的磁矩和極區磁場強度，計算結果列于表2。表2 天體偶極磁場杉匹磁場強試計算結果天 體質量（g）半徑（cm）自轉角速度（）角 動 量磁 矩極區磁場強度計算值(Gauss)磁場強度觀測值(Gauss)備 注地 球0.200.61太陽普遍磁場22.7注1月 球注2水 星 注3金 星 注4火 星 注5木 星 注6白矮星？ 注8脈沖星 注7銀

13、河系長軸 短軸 注8注1：1913年，G. E. Hale 觀測太陽普遍磁場強度是25-50 Gauss，現在一般認為Hale觀測值偏高，磁場強度應為表中數值。太陽較差旋轉不僅沿著緯度方向，而且沿徑向也存在較差旋，值比表中數值要小得多，所以太陽的磁場強度中的值小了近兩個數量級。注2：月球磁場強度數值取自阿波羅11號、12號，13號、14號、15號、16號宇宙飛般觀測數據。定航員用用儀器直接測量月球上個別地區磁場強度達到10-100伽瑪。注3：表中所列水星磁場強度數值取自水手十號觀測結果，水星磁矩計算結果與“水手”10號觀測結果相差1個數量級。赤道 Gauss ，極區 Gauss。注4：表中所列

14、金星磁場強度1962所水手二號宇宙飛般在金星附近，根據觀測數據推算出金星磁矩。注5：表中所列火星磁場強度數值取自1965年8月14日-15日水手四號宇宙飛般飛經火星附近上空觀察結果。火星磁場強度中值明顯偏小。注6：根據“先鋒者”11號的探測指出，在離木星3個木星半徑處以內的磁場是四極的和八極的，而場強為311 Gauss， 注7：天文資料一般認為白矮星質量與太陽同數量級，半徑與地球同數量級，磁場強度為- Gauss，沒有查找到白矮星自轉數據，認定白矮星角動量與太陽同數量級。注8：天文資料一般認為脈沖星周期為40.03 s，半徑為20km，質量與太陽同數量級，磁場強度為Gauss。周期中間值，即。注8：由于銀河系觀測數據不精確，計算只能粗略估計。 由表2可以看出，除了太陽，火星外，其它天體的磁場強度計算值與觀測值基本相符。.8 天體磁場成因理論