探讨天体磁场

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1、探讨天体磁场内容提要本文回顾了天体磁场理论的历史和现状。根据电磁现象的本质提出天体磁场成因理论。探讨了太阳磁场、行星磁场、恒星磁场、银河系磁场。根据天体磁场成因理论对天体磁场进行粗略计算，将计算结果与观测结果进行对比。最后指出天体成因理论存在的问题。李鑫2012年2月7日目录1天体磁场理论的历史和现状1.1转子学说1.2.电池学说1.3化石学说1.4.发电机学说2天体偶极磁场2.1天体偶极磁场简介2.2天体偶极磁场成因的理论3太阳磁场4行星磁场5恒星磁场6银河系磁场7天体磁场成因理论对天体磁场计算结果8天体磁场成因理论存在的问题71天体磁场理论历史和

2、现状星系、恒星、行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。天体的磁场是怎样产生的？这是天体磁场研究的一个带根本性的重大问题。从十九世纪末期以来,曾有许多天文工作者探讨这方面的问题，先后提出过好几种不同的学说，这些学说中,有的(如下述第一种)早已被否定，有的(如第二种)基本上已成为历史的陈迹，那些有一定优点和价值的学说,因为存在不少缺陷，也面临着困难。可以肯定地说，天体磁场的起源问题还远未能获得圆满解决。下面对已有的几种学说作了一个简要介绍。1.1转子学说大家知道，日月星辰以及地球等一切天体都是不停地在旋转着，同时，许多天体又都具有磁场，因此

3、，早在十九世纪末期就有人主张，天体的磁场和自转之间有着某种物理联系。H.W.Babcock（巴布科克）曾把太阳与早型星作过对比。因为太阳赤道上的自转速度为2公里/秒，而普遍磁场的强度为50高斯；那么，如果磁场强度与自转速度成正比，并取B，A，F型星的平均赤道转速为60公里/秒，它们的磁场强度就应该是1500高斯。说来真是凑巧，巴布科克所观测第一颗恒星室女座78星磁场强度正好是这样大。于是，人们就一度认为，天体的磁场强度真是与自转速度成正比，而且还有人认为这是自然界基本规律之一，也是电磁场与重力场之间联系的具体表现之一。这方面的代表人物是英国物理学家P

4、.M.S.Blackett（布莱克特）1947年提出巨大物体偶极磁矩与其角动量成比例，他把地球，太阳和室女座78星（这是当时已测出磁场强度的唯一恒星）三个天体的自转和磁场作了一番比较，结果列于表1。有趣的是，尽管这三个天体的质量，体积和磁场都相差悬殊，可是它们的磁矩（P）和角动量（U）的比值（P/U）却几乎一样。P.M.S.Blackett进一步指出，P和U这两个物理量之间存在下列关系：上式中为引力常数，为光速，是一个近似等于1的常数。他认为，上述关系式中代表了自转和磁场的内在联系，并企图为这个概念找到理论诠释和实验证据。表1地球、太阳和室女座78星

5、的自转和磁场地球太阳室女座78质量（g）半径（cm）角速度（）角动量（U）极区磁场强度（Gauss）0.61531500磁矩（P）（注：表中P.M.S.Blackett当时采用一些数值现在已嫌陈旧。）7但是，人们认识的发展往往是曲折的，近年来，有大量的观测资料表明，磁场最强的星不一定自转得快，具体来说，对于一般的早型星，赤道转动在视线方向的投影（）的平均值是177公里/秒，而星仅为52公里/秒。这样看来，天体的磁场与自转之间很可能没有实质上的联系。大量的恒星磁场测量结果都与转子学说不相符合，而且更重要的是，直接的物理实验也表明，快速旋转的物体并不显示

6、出磁效应来。P.M.S.Blackett于1952年在一篇长而详细的文章中描述了“否定实验”的结果，用一个高灵敏的无定向的磁强计未能探测到在实验室中静止的大密度物体附近有预期量级的磁场。任何转动理论只能解释磁矩沿转动轴方向分量，尚需找理由来解释横向分量，目前横向分量约为轴向分的五分之一，地磁场反转现象也是各种旋转理论的难题。目前，学术界对天体磁场的转子学说基本持否定意见。1.2.电池学说1950年L.Biermann曾提出，在不断自转的恒星上，电子会因受到压力而形成电流，并由此而产生围绕自转轴的环形磁场来。这样的磁场是由电子的热运动产生的，热能转化为

7、磁能，这与电池的作用相似，因此被称为电池学说。按照这种说法，即使像太阳这产自转较慢的恒星，也可以由此而得到强达500高斯的磁场。对于快速自转的早型星，以这种方式产生的磁场就会更强。电池学说不久也遇到了困难。到1962年，有人指出，如果恒星原来有一个偶极磁场，那么，电池效应就很难奏效。例如，一个强度仅为高斯的偶极磁场就足以抑制上述效应产生磁场，使之只能达到微不足道的程度。1.3化石学说这种假说认为，天体本来就有微弱的磁场，在凝缩时磁性得到加强。化石学说的基本观念是容易被人们接受的，但是，它在一些具体问题上却遇到了不少困难。对化石学说的非难主要有两个。第

8、一，对流运动可以使磁场大幅度减弱，甚至消失。第二，更为严重的是，化石学说给出的磁场应当是基本稳定的，可是，磁